Abbondanti e impercettibili, come una tempesta silenziosa, milioni di particelle elementari cadono su di noi a tutte le ore. Non ci sono ombrelli per arginare il torrente di neutrini solari che si riversano attraverso ogni centimetro quadrato del nostro pianeta e dei nostri corpi, come immagini spettrali di se stessi. Dall’alto, di giorno, e dal basso, di notte. L’energia che la maggior parte di loro trasporta raggiunge a malapena un millesimo della massa di un protone.
Altre particelle, invece, sono molto più energetiche e provengono da molto più lontano. Provengono da altre galassie dopo aver viaggiato nel cosmo per milioni di anni.
Quando hanno iniziato il loro viaggio sulla Terra, non c’erano esseri umani. Durante il loro viaggio si susseguirono le varie specie che finirono per discendere dall’Homo sapiens. Ma non è stato possibile rilevarle fino al 1912 quando un esemplare di questa specie è salito su una mongolfiera durante un’eclissi totale e ha verificato che le particelle più energetiche rilevate provenissero dall’alto, sì, ma non dal Sole.
Al riparo dall’atmosfera
Col tempo abbiamo capito che alcune di queste particelle hanno energie enormi, diecimila miliardi di volte quella dei neutrini solari. Un milione di volte più dei protoni nel più grande acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider (LHC). Devono avere una carica elettrica, altrimenti sarebbe inspiegabile che ci fosse un meccanismo che potesse dare loro un tale slancio. E molto probabilmente si tratta di quelli che sono stabili e possono resistere intatti a un viaggio così lungo: protoni o nuclei di ferro. Questi proiettili violenti non ci raggiungono. L’atmosfera ci protegge.
Quando una di queste particelle entra nell’atmosfera, spazza via tutto ciò che incontra. Strappa elettroni dagli atomi che compongono l’aria e crea un effetto domino che si diffonde dall’atmosfera superiore alla superficie terrestre, allargandosi lungo il percorso, come una doccia.
Più energica è la particella, maggiore è l’area di terra spruzzata. I più energici e, quindi, enigmatici, possono schizzare superfici di diversi chilometri quadrati.
Una particella per secolo
Possiamo vedere le particelle generate nell’atmosfera utilizzando le camere a nebbia, un dispositivo che può essere assemblato a casa con poco più che alcol e ghiaccio secco. Ma l’unico modo per sapere che provengono da una singola particella estremamente energetica è dispiegare rivelatori su grandi superfici.
Certo: in ogni chilometro quadrato della superficie terrestre impatta una di queste particelle… ogni secolo!
Dobbiamo dispiegare rivelatori su un centinaio di chilometri quadrati se vogliamo osservarne uno all’anno, e trentasei volte più spazio se l’impazienza ci porta a volerne osservare uno ogni dieci giorni.
Ed è quello che propose James Cronin, premio Nobel per la fisica nel 1980: guidare l’impresa donchisciottesca di rilevare e caratterizzare le particelle più energetiche, chiamate, per ragioni storiche, raggi cosmici.
Milleseicento dispositivi per dar loro la caccia
Per rilevare i raggi cosmici, più di 1.600 serbatoi riempiti con 12 tonnellate di acqua pura dovevano essere dispiegati su 3200 chilometri quadrati.
Ogni rivelatore doveva portare con sé un’elettronica sofisticata che gli permettesse non solo di vedere qualche particella della cascata ma anche di registrare il momento preciso in cui veniva osservata. Inoltre, dovrebbe comunicarlo a un computer centrale in grado di discernere quanti rilevatori sono stati spruzzati dalla pioggia e in quale ordine cronologico. Tutto questo, ovviamente, senza cavi: con celle solari e antenne.
L’elenco delle difficoltà tecniche che minacciano il funzionamento di una tale rete di rivelatori è molto lungo. Ma con ingegno e determinazione, con molto lavoro e talento, è stato possibile dispiegare quel gigantesco laboratorio sognato da James Cronin a Malargüe (Argentina), un territorio ideale per essere abbastanza pianeggiante, immerso in un’atmosfera incontaminata e poco abitato. Quest’ultima era fondamentale per poter dispiegare i dispositivi su un’area così vasta, formando una rete ordinata in cui ciascuna coppia è separata da un chilometro e mezzo di terreno rustico e di difficile percorrenza. Nasce così l’Osservatorio Pierre Auger.
Il lavoro dell’ingegno
L’energia della particella che dà origine allo sciame, quel sassolino nascosto nella persistente pioggia di neutrini, può essere riconosciuta in due modi molto diversi: ricostruendola, da quella che deposita in ognuna delle vasche irrorate, oppure attraverso la diretta osservazione della fluorescenza prodotta nell’atmosfera dal passaggio di particelle, quando interagiscono con l’azoto presente nell’aria.
Per osservarli, l’Osservatorio Pierre Auger dispone di quattro rivelatori che si ergono come sentinelle dagli alti promontori sul perimetro del campo. Un sistema di specchi focalizza e raccoglie tutta la luce disponibile. Quando le condizioni atmosferiche lo consentono, queste vedette sono in grado di vedere l’aria illuminarsi come una fioca lampadina a incandescenza a decine di chilometri di distanza.
Il nostro pianeta è un enorme magnete, con i suoi poli, e i campi magnetici sono onnipresenti nel vicinato galattico. Una particella carica devia il suo corso in presenza di questi campi, tanto più quanto minore è la sua velocità.
Quando cerchiamo di utilizzare la sequenza in cui i diversi serbatoi rilevano le particelle che si tuffano al loro interno, per determinare la direzione di provenienza del sasso originario, siamo condannati dalla sinuosità casuale della traiettoria a cui lo condannano i campi magnetici. A meno che l’energia della particella incidente non sia così immensa che l’effetto di queste sia trascurabile.
Dopo due decenni di scansione del cielo, l’Osservatorio Pierre Auger è stato in grado di determinare categoricamente che questi raggi cosmici ad alta energia provengono da altre galassie. Messaggeri del cosmo, percorrono distanze astrali prima di incontrare la densità della nostra atmosfera e sprigionare tutta la loro energia, irrorando la superficie terrestre come un irrigatore fluorescente.
Abbiamo ricevuto il messaggio
La curiosità della nostra specie è illimitata. Non appena abbiamo capito che la luce è molto più di ciò che possiamo vedere, abbiamo intrapreso l’avventura di realizzare occhi artificiali sensibili agli infrarossi e agli ultravioletti, alle onde radio, alle microonde, ai raggi X e ai raggi gamma. E anche immersi in un vasto oceano di onde elettromagnetiche, non eravamo ignari dell’orvalle che cade su di noi senza bagnarci.
Particelle subatomiche, messaggeri del cosmo verso i quali la provvidenza pone sul sentiero un pianeta roccioso che ne interrompe bruscamente il viaggio. Hanno la consolazione di sapere che il viaggio non è stato vano. È abitato da esseri indiscreti che hanno ricevuto il messaggio, anche se arriva sottilmente criptato sotto una pioggia impercettibile.
Autore
José Edelstein, Università di Santiago de Compostela
