Individuare le tracce delle traiettorie delle particelle subatomiche mediante le foto delle ‘firme’ lasciate nella camera a bolle – una tecnologia di punta del 20esimo secolo per lo studio della fisica delle particelle.
Di cosa è costituito l’Universo? Cosa lo tiene unito? Come evolve? I fisici particellari sono da sempre stati affascinati da queste eterne domande. Mediante lo studio delle particelle elementari e le interazioni fondamentali, questi studiosi cercano di identificare le componenti del puzzle dell’Universo e studiare come metterli insieme. Attualmente le nostre conoscenze sono contenute nel Modello Standard della fisica delle particelle elermentari, una teoria fisica di successow1.
Ora, come facciamo a riconoscere alcune delle caratteristiche di queste particelle, quali di queste sono molto più piccole di un atomo? Dal 1920 al 1950, la camera a nebbia è stata una delle prime tecniche utilizzate dai fisici particellari per individuare le particelle elementari (Woithe, 2016). I ricercatori, mettendo in risalto le tracce delle particelle subatomiche elettricamente cariche lasciate in un gas superfreddo, attraverso macchine fotografiche capaci di catturare questi eventi, furono in grado di ricavare la massa, la carica elettrica e altre caratteristiche delle particelle assieme alle loro interazioni. Nel 1952 si inventò la camera a bolle che sostituì rapidamente la camera a nebbia come tecnologia dominante per la ricerca delle particelle elementari. Le camere a bolle potevano essere dimensionalmente più grandi, contenenti una sostanza molto più densa (un liquido anziché un gas), che si adattava meglio alle esigenze di studio delle particelle ad alta energia.
Oggi, sia le camere a bolle che a nebbia sono state largamente sostituite con altri tipi di rivelatore che producono segnali digitali con i quali si lavora ad una velocità molto più elevata. Così anche se le foto provengono da una camera a bolle, che non è più una tecnologia scelta dai fisici professionisti, si possono sempre utilizzare per arricchire la discussione in classe sulla fisica delle particelle.
La componente chiave di una camera a bolle è un liquido super-caldo. Quando le particelle elettricamente cariche passano attraverso una camera a bolle, ionizzano le molecole del mezzo contenuto nella camera. Gli ioni producono nel liquido super – caldo, una transizione di fase che vaporizza, creando una traccia visibile, creata dalle bolle del liquido che vaporizza lungo la traiettoria percorsa della particella. Una volta che queste bolle sono diventate abbastanza grandi, le fotocamere montate attorno alla camera, riescono a catturare l’evento.
Altro fattore altrettanto importante è il campo magnetico uniforme che circonda la camera, esercitando una forza sulle particelle elettricamente cariche, costringendole a percorrere una traiettoria curva – che rappresenta la ‘firma’ una differente dall’altra a seconda dalle caratteristiche della particella. Misurando il raggio di curvatura della traiettoria si può ricavare la quantità di moto della particella, aggiungendo questa caratteristica alle altre informazioni conosciute.
Si sono sviluppate varie attività, adatte agli studenti delle scuole superiori, con le quali si possano studiare le fotografie provenienti dalla camera a bolle e ricavare individualmente cosa mostrano. Potrete trovare il foglio di lavoro originale che descrive queste attività (comprese le soluzioni e indicazioni aggiuntive per gli insegnanti) nel sito web del CERNw2.
Le fotografie si riferiscono alla camera a bolle di 2 metri del CERN e risalgono al 1972. Questa camera era riempita con 1150 litri di idrogeno liquido raffreddato a 26 K (-274°C). Nei dodici anni di attività, sono stati accumulati 20 000 km di pellicola fotografica utilizzata per catturare le collisioni tra particelle.
In questo articolo presentiamo tre semplici attività ma coinvolgenti per studenti di età compresa tra i 16-19 anni aventi lo scopo di introdurre gli studenti all’analisi delle traiettorie lasciate dalle particelle, utilizzando le immagini di una camera a bolle. Prima che gli studenti inizino a lavorare sulle attività è opportuna una adeguata introduzione alla fisica delle particelle elementari (speciale sulle proprietà dei protoni, elettroni, positroni, fotoni e se possibile anche sui neutrini).
Le prime due attività si concentrano sull’identificazione di alcune particelle tipiche attraverso le traiettorie dovute al loro comportamento di particelle cariche in un campo magnetico. La terza attività che si basa su queste attività esplora la trasformazione di una particella. A partire dalle conoscenze iniziali degli studenti, il tempo che li potrebbe impegnare a svolgere tutte e tre le attività e di circa un’ora.
Nota: quando si lavora con le immagini della camera a bolle, si raccomanda di utilizzare macchine fotografiche ad alta risoluzione perché, l’alta risoluzione è cruciale per l’identificazione delle singole traiettorie. Potrete scaricare le versioni ad alta risoluzione delle immagini consultando la sezione del materiale aggiuntivo in questo articolo.
In questa attività gli studenti dovranno individuare le particelle cariche in base alle curvature delle traiettorie che si determinano in un campo magnetico. Dovranno altresì confrontare la velocità degli elettroni, in base al raggio di curvatura delle traiettorie.
Preliminarmente, gli studenti per affrontare questa attività dovranno conoscere i seguenti fatti relativi alle fisica delle particelle elementari:
Per questa attività, l’unico materiale necessario sono le immagini e le informazioni contenute nella figura 1, 2 e 3. Ciascuno studente o gruppo di studenti devono disporre di stampe a colori delle foto delle due camere a bolle (figura 2 e figura 3), che si possono ricavare dalla sezione addizionale per il materiale. In tutte le immagine della camera a bolle, le particelle entrano nella camera da sinistra, e il campo magnetico punta verso l’esterno della pagina.
Chiedere agli studenti di ricavare quanto richiesto seguendo le indicazioni elencate qui di seguito, utilizzando il materiale a disposizione.
Queste regole sono illustrate in figura 1.
Ricordate, le particelle entrano nella camera da sinistra, e il campo magnetico punta verso l’esterno della pagina (sulla stampa).
Le risposte sono le seguenti:
Poiché la traccia della traiettoria blu curva verso il basso dalla foto della foto 1, vi deve essere stata una forza che puntava verso il basso. Ora, attraverso entrambe le regole della mano sinistra e della mano destra seguiamo la foto:
Questa configurazione delle dita funziona solo con la mano destra, così le tracce blu sono dovute da particelle cariche positivamente.
La traccia rossa curva, nella foto della foto 1, verso l’alto, così vi deve essere una forza che punta verso l’alto, che conduce alla seguente configurazione delle dita
Questa configurazione si ha solo considerando la legge della mano sinistra, di conseguenza la traccia rossa è generata da una particella carica negativamente.
Ci domandiamo perché le particelle lasciano delle tracce a spirale in una camera a bolle? Nel loro percorso all’interno del liquido, le particelle cariche elettricamente perdono costantemente energia cinetica – per esempio perché ionizzano le molecole dell’idrogeno lungo il loro percorso. Una energia cinetica progressivamente più piccola tende ad accorciare il raggio di curvatura della traccia in presenza di un campo magnetico.
Nella foto 2, utilizzando la stessa procedura si identificano le tracce 1, 2 e 3 come appartenenti alle particelle cariche negativamente, mentre la traccia 4 è dovuta ad una particella carica positivamente.
Per le velocità, la traccia 2 appartiene all’elettrone (con la velocità più elevata), seguita dalla traccia 1, e quindi dalla traccia 3 (con la velocità più bassa). Questo perché più piccola è la velocità della particella, e più piccolo risulterà il raggio di curvatura della sua traccia. Questa relazione, per le particelle, si può ricavare come segue:
La forza esercitata su una particella elettricamente carica (di carica q) che si muove con velocità v perpendicolarmente al campo magnetico B è descritto da:
FL = q x v x B
This force acts as centripetal force, Fc , and leads to a circular particle track with radius r. The centripetal force needed to keep an object on a circular path with radius r depends on the mass m of the object, and the square of its speed v, thus:
Fc = m x v2/r
Così FL = Fc
Perciò: q x v x B = m x v2/r
Così r = (m x v)/(q x B)
Il raggio di curvatura è direttamente proporzionale alla velocità della particella.
Vi è da notare che abbiamo assunto che le particelle no siano relativistiche, cioè si muovono con una velocità molto inferiore alla velocità della luce. Tuttavia, la foto delle tracce di una camera a bolle sono dovute a particelle relativistiche che si muovono con una velocità prossima alla velocità della luce. In questo caso, vi è un fattore relativistico che cambia questa relazione.
In questa successiva attività, gli studenti utilizzano le conoscenze acquisite sulle caratteristiche delle tracce per identificare la specifica ‘firma’ di una particella (il tipo di traccia) attraverso la foto di una camera a bolle.
Nella tabella 1 sono mostrate tre differenti tipi di tracce, assieme alle identità delle particelle, la descrizione delle firme, e la spiegazione in funzione dei processi che producono le tracce. Queste informazioni dovrebbero porre in grado gli studenti di identificare le particelle nella camera a bolle nelle seguenti immagini.
Per questa attività, gli unici materiali necessari sono le immagini e le informazioni contenute nella tabella 1 e la figura 4. In tutte queste immagini, le particelle entrano nella camera a bolle da sinistra, e il campo magnetico punta verso verso l’esterno della pagina.
Tavola 1: Firme di una particella e processo di produzione
| Elettrone | Coppia elettrone –positrone | Protone | |
|---|---|---|---|
| Traccia della firma |  |
 |
 |
| Descrizione | Traiettoria curva verso l’alto, cominciamo con un’altra traccia visibile di una particella | Traiettoria curva verso il basso (positrone) comincia ‘non si sa dove’, insieme con una traiettoria curva verso l’alto (elettrone) | Traiettoria curva verso il basso, che comincia da una traccia visibile di un’altra particella |
| Processo di produzione | Una particella elettricamente carica entra nella camera e interagisce con un elettrone presente nel liquido. | Un fotone si trasforma in una coppia elettrone-positrone. (Il fotone non lascia alcuna traccia.) | Una particella elettricamente carica entra in una camera e interagisce con un protone presente nel liquido. |
Assegnate agli studenti i seguenti compiti utilizzando il materiale a loro disposizione.
| Elettrone? | Positrone? | Protone? | Spiegazione | |
|---|---|---|---|---|
| Traccia verde | ||||
| Traccia blu superiore | ||||
| Traccia blu inferiore | ||||
| Traccia viola |
Il corretto completamento della tabella è mostrato in tavola 3.
| Elettrone? | Positrone? | Protone? | Spiegazione | |
|---|---|---|---|---|
| Traccia verde | ✓ | Traiettoria curva verso l’alto. | ||
| Traccia BLU superiore | ✓ | Traccia curva verso l’alto. | ||
| Traccia blu inferiore | ✓ | Traccia curva verso il basso e appare assieme ad una traccia di un elettrone. | ||
| Traccia viola | ✓ | Traccia curva verso il basso e da inizio ad un’altra traccia. |
Quello che ha reso famosa la camera a bolle è stata l’interpretazione della trasformazione di una particella: molte delle particelle prodotte in una camera a bolle non sono stabili, ma col tempo si trasformano in altre particelle. Tuttavia, lavorare sugli eventi di trasformazione è molto più difficile per gli studenti che la semplice identificazione del tipo delle specifiche tracce, poiché si richiedono ulteriori conoscenze sulle interazioni fondamentali descritte dal Modello Standard della fisica delle particelle. Suggeriamo di utilizzare un semplice esempio (figura 5) e fornire le istruzioni passo dopo passo per lavorare su questa attività.
Come in precedenza, le immagini della figura 5 sono le uniche cose necessaria, fornite già in precedenza. Come al solito, le particelle entrano nella camera da sinistra, e il campo magnetico punta verso l’esterno della pagina.
Chiedere agli studenti di rispondere alle seguenti domande, utilizzando il materiale fornito.
Quale tipo di pione ha lasciato la traccia verde ? Giustificate la risposta.
Le risposte sono le seguenti:
Maggiori informazioni sulla trasformazione e i diagrammi di Feynman che possono aiutare a comprendere questo processo si possono trovare nei fogli di lavoro degli studenti nel sito del CERNw2.
Come queste attività mostrano, le immagini della camera a bolle sono un grande ausilio per poter rendere accessibile la fisica delle particelle agli studenti della scuola superiore . Utilizzando queste immagini, gli studenti possono scoprire le identità delle particelle lavorando sulle loro caratteristiche.Tuttavia, la sfida per comprendere tutti i pezzi mancanti del nostro Universo continua. Al contempo si addestrano i fisici particellari del domani, le camere a bolle hanno recentemente ritrovato un ruolo nuovo nella ricerca e la rilevazione delle particelle della materia oscura – per esempio, come nel progetto PICO del Canadaw3. Qui, la risposta relativamente lenta della camera a bolle (paragonata alle nuove che posseggono una tecnologia digitale più moderna) – non è un problema, perché – diversamente dalla cascata di particelle prodotte in ogni secondo al CERN – ancora nessun segnale è stato rivelato da parte della materia oscura.
Infine, per un completo e differente approccio alla fisica delle particelle, l’unica configurazione a spirale che si è ritrovata nelle immagini della camera a bolle, può ispirare qualche realizzazione artistica – dalle decorazioni Natalizie realizzate con riproduzioni su carta. Quali altre idee potrebbero venir fuori dalla fantasia dei vostri studenti?
Questo articolo offre l’opportunità di utilizzare le fotografie prodotte da una camera a bolle del CERN durante l’attività nel 1972 per analizzare le tracce delle traiettorie delle particelle per ricavare le caratteristiche tipiche delle particelle subatomiche.
Le attività sono stimolanti e dettagliate e consentono l’utilizzo dell’auto – valutazione o della valutazione in generale. Gli aspetti storici delle caratteristiche assieme alle immagini possono invogliare gli insegnanti di scienze che gestiscono un club di scienze. I compiti sono altresì adatti ad essere utilizzati in classe, come un seguito alle lezioni teoriche su questo argomento, come quando si discute sulle evidenze delle particelle subatomiche. Per quelli che sono particolarmente inclini, l’articolo può fornire una base per progetti multidisciplinari – forse utilizzando le tracce o le immagini come mezzo di ispirazione per una lezione di disegno artistico per la disciplina arte.
Esercizi di comprensione possono fare riferimento alla parte introduttiva dell’articolo. Alcuni suggerimenti possono essere:
Stephanie Maggi-Pulis, direttore del dipartimento di fisica, Segretariato per l’Educazione Cattolica, Malta