Rivelare particelle elementari con una camera a nebbia fatta in casa Teach article

Tradotto da Giulio Sinno – Liceo Scientifico L. Mossa - Olbia. La fisica delle particelle è ritenuta materia per i grandi laboratori di fisica, inaccessible all’uomo della strada. Francisco Barradas- Solas e Paloma Alameda-Meléndez ci dimostrano – con l’aiuto di un rivelatore di…

L’obiettivo della fisica delle particelle elementari è trovare i più piccoli mattoni con i quali è fatta qualsiasi cosa al mondo e di studiare il comportamento di questi mattoncini. Sebbene sia un pilastro fondamentale del sapere scientifico, la fisica delle particelle è spesso trascurata o poco compresa nelle scuole, forse perché essa non sembra avere a che fare con i fenomeni che ci appaiono nella vita quotidiana. Invece, i fisici delle particelle fanno misure e rivelano elettroni, fotoni o muoni con la stessa familiarità con la quale potrebbero contare mucche, tavoli o areoplani. Inoltre i rivelatori di particelle (come ad esempio gli scanner della PET) sono usati quotidianamente dai fisici sanitari per scoprire tumori e monitorare le funzioni degli organi interni.

Qui mostreremo come è possibile “dare vita” alla fisica delle particelle in classe usando probabilmente il tipo di rivelatore di particelle più semplice: una camera a nebbia a sensibilità continua. Questa versione costruita in casa consiste di una semplice vaschetta per pesci sigillata, riempita di aria e vapori di alcol, raffreddata a temperatura molto bassa, che riesce a rivelare particelle, in particolare muoni da raggi cosmici particolarmente energetici.

Le particelle elementari

Le particelle elementari sono i costituenti ultimi della materia. Esse non sono proprio come dei mattoni cementati insieme, ma danno luogo a interazioni reciproche (per maggiori dettagli sulle particelle elementari si suggerisce Landua & Rau, 2008). Queste particelle sono dotate di energia e quantità di moto e perciò possono essere “viste” dai rivelatori. In realtà sappiamo che non si possono vedere direttamente, il loro passaggio attraverso il rivelatore è dedotto dagli effetti che esso causa come, ad esempio, la ionizzazione nel caso di particelle cariche. Immaginiamo di osservare la scia di condensazione lasciata da un aereo che non riusciamo a scorgere in cielo: allo stesso modo riusciremo a rivelare la particella con la nostra camera a nebbia artigianale.

Camera a nebbia a diffusione a sensibilità continua

Questa camera a nebbia è fondamentalmente un contenitore a tenuta d’aria riempito con una mistura di aria e vapore d’alcol. L’alcol liquido evapora da un serbatoio e si diffonde attraverso l’aria della camera. Raffreddando la base con del ghiaccio secco (ghiaccio di anidride carbonica che è ad una temperatura costante di –79 °C mentre sublima) si ottiene un intenso gradiente di temperatura lungo la verticale. In questo modo si forma sul fondo una zona di vapore d’alcol sovrasatura. Lo strato sensibile è instabile: ha una quantità di vapore d’alcol freddo in misura maggiore di quella che può mantenere. Il processo di condensazione scatta al passaggio della particella carica con energia sufficiente a ionizzare atomi lungo il suo cammino. Questi ioni sono i nuclei di condensazione attorno ai quali le goccioline di liquido formano una scia.

Istruzioni di realizzazione ed uso

Materiali

• Contenitore di vetro o plastica trasparente a pareti dritte (ad esempio un acquario o vaschetta per pesci) con una base che misuri circa 30 cm x 20 cm, e altezza circa 20 cm (possono essere usate altre dimensioni ma i risultati possono variare)
• Lastra di alluminio (spessa circa 1 mm, come la base dell’acquario)
• Un vassoio a fondo basso un po’ più ampio della base della vaschetta
• Due lampade o torce elettriche, una di potenza particolarmente alta
• Strisce di feltro (larghe circa 3 cm e abbastanza lunghe da poterle attaccare lungo l’interno dell’acquario, cioè un po’ più di un metro)
• Colla (non solubile in alcol)
• Nastro isolante nero
• Alcol isopropilico
• Ghiaccio secco

Montaggio

1. Incollare una striscia di feltro (questa fungerà da serbatoio di alcol) attorno agli spigoli interni sul fondo dell’acquario. Un po’ di feltro può essere incollato anche sul fondo.
2. Usare nastro adesivo isolante per stringere la lastra di alluminio sul bordo dell’acquario, sigillando la camera cosicché sia a tenuta d’aria. Questa è la fase più critica e tale operazione deve essere fatta con cura perché la giuntura diventerà umida e molto fredda durante il funzionamento della camera a nebbia.
3. Girare sottosopra l’acquario sulla lastra di alluminio. Fare in modo che la superficie nera sia rivolta verso l’alto (sul fondo nero le tracce delle particelle saranno visibili più facilmente).
4. Inzuppare il feltro con alcol isopropilico (ma non così tanto da far gocciolare il liquido sul fondo).
5. Avvertenza: operare in luogo ben areato e ricordare che l’alcol è infiammabile.
6. Tagliare la lastra di alluminio di dimensioni tali che si adatti alla superficie superiore dell’acquario e ricoprine una faccia con nastro isolante formando una superficie nera.
6. Predisporre uno strato piatto di ghiaccio secco sul vassoio e poggiare sopra la camera, assicurandosi che la base sia orizzontale. Per ottenere un contatto termico uniforme tra il ghiaccio e la lastra metallica evitare di utilizzare pezzi grossi di ghiaccio: l’uso di lastre o polvere di ghiaccio sarebbe l’ideale, ma anche ghiaccio secco sotto forma di piccoli grani può andare bene.
   Avvertenza: Dry ice is around –79 ºC and should only be handled using thick gloves.
7. Mantenere la parte superiore della camera tiepida per esempio irraggiando luce con una lampada. Evitare di effettuare l’esperimento in un ambiente freddo perché potrebbe impedire il formarsi di un appropriato gradiente termico, non permettendo la visibilità delle tracce.
8. Lasciare la camera immobile per circa 10 minuti affinché si stabilizzi il gradiente di temperatura. Illuminare con una luce intensa la camera con una direzione a bassa inclinazione. Ad una prima occhiata dovreste vedere semplicemente una nebbiolina di alcol che cade, ma gradualmente dovrebbero apparire le tracce delle particelle cariche come condensazioni filiformi nella nebbiolina. Nota: le tracce sono più visibili in una stanza buia.

Sebbene qualsiasi particella carica con sufficiente energia, per esempio proveniente da un ambiente radioattivo, può lasciare la sua scia nella camera, la maggior parte delle tracce saranno prodotte da raggi cosmici secondari: cioè da quelle particelle create quando altre particelle (per la maggior parte protoni) arrivando dallo spazio esterno colpiscono la parte più alta dell’atmosfera. I raggi cosmici secondari viaggiano a velocità prossime a quella della luce e sono assorbiti dall’atmosfera o decadono in volo dando luogo a nuove particelle fra cui i muoni, che possono raggiungere la superficie della terra e che sono facilmente rivelabili. I muoni sono particelle elementari cariche molto simili agli elettroni tranne che per la loro massa che è circa duecento volte maggiore.

Cosa possiamo fare con la camera?

In generale perché la camera sia realmente utile non possiamo limitarci a mostrarla e a descriverne il suo funzionamento. Per chiarire ulteriormente la spiegazione abbiamo preparato una breve striscia di vignette^w1 (vedi sotto), in cui si vede come funziona la camera e si spiega la composizione dei raggi cosmici attraverso la storia di un protone cosmico e i suoi discendenti.

Abbiamo usato la camera nelle scuole con studenti dai 12 ai 16 anni nell’ambito di una iniziativa per fargli comprendere che le particelle sono oggetti reali. Osservare le scie delle particelle invisibili paragonandole con le scie lasciate dai jet (c’è molta fisica in comune) è un primo passo in un processo che continuiamo introducendo dati reali, foto dalla fisica delle alte energie e domande ed esercizi standard^{w2, w3} (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009) e che concludiamo con un altro dispositivo per utilizzo didattico più complicato: un rivelatore a scintillazione per raggi cosmici che permette agli studenti, da soli, di registrare e studiare i dati (Barradas-Solas, 2007).

Perché non usare il forum di discussione online di Science in School per scambiare idee su come usare la camera a nebbia a scuola? Vedere: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber

Ringraziamenti

Gli autori desiderano ringraziare la Dott.ssa Eleanor Hayes, redattore capo di Science in School, per la sua assistenza nell’aver dato la forma finale all’articolo.

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