Questo post è basato sul recente lavoro pubblicato sul giornale di ricerca scientifica "Particles" di MDPI (Particles 2024, 7, 603–622) il quale può essere seguito come riferimento per la costruzione in proprio di un rivelatore di raggi cosmici a scopo educativo e anche per ricerca scientifica, seppur con le limitate dimensioni di acquisizione dei sensori.

Qualsiasi contatore Geiger può essere utilizzato da solo come efficace rilevatore di raggi cosmici. In effetti, è noto che anche in assenza di una sorgente radioattiva, lo strumento rileva ciò che è noto come radiazione di fondo, costituita da vari tipi di particelle ionizzanti presenti nell'ambiente. Sorprendentemente, si stima che fino al 15% di questa radiazione di fondo sia attribuibile ai raggi cosmici, particelle ad alta energia provenienti dallo spazio. La restante radiazione rilevata dal contatore Geiger proviene da fonti terrestri, come la radioattività naturale nel suolo e nell'aria.

L'obiettivo principale di questo lavoro è stato quello di presentare la possibilità di costruire un rilevatore di muoni da utilizzare per scopi scientifici ed educativi utilizzando due kit per contatori Geiger fai-da-te commerciali e solo pochi altri componenti aggiuntivi. L'idea seguente è di creare una replica alternativa ai nostri rilevatori AMD5 che utilizziamo da anni per insegnare ed eseguire esperimenti scientifici sul campo dei raggi cosmici sotto l'ombrello del progetto ADA (2023 Particles, Arcani et al.). Il dispositivo risultante, denominato AMD5ALI, offre una soluzione affidabile ed economica per lo stesso obiettivo, rendendolo un prezioso strumento sia per scopi didattici che per indagini scientifiche. Le applicazioni pratiche spaziano dalla fisica dei raggi cosmici alla radioattività, inclusa la relazione tra il flusso dei raggi cosmici e la meteorologia, l'effetto zenitale, la curva di Regener-Pfotzer nell'atmosfera e l'anticorrelazione dell'intensità delle particelle cosmiche con l’attività solare.

Primo prototipo funzionante

Qualsiasi sensore impiegato per rilevare i raggi cosmici è sensibile a un'ampia gamma di energie. Pertanto, i rilevatori di raggi cosmici a terra possono misurare non solo i muoni, ma anche altre particelle ionizzanti presenti negli sciami di raggi cosmici. Per misurare selettivamente i raggi cosmici ed escludere altre particelle, è necessario impilare due o più sensori e considerare solo le particelle che li attraversano simultaneamente, un metodo noto come rilevamento di coincidenza. Qualsiasi rilevatore di raggi cosmici funziona con questa tecnica di coincidenza inventata da Walther Bothe e Hans Geiger e poi perfezionata da Bothe e Rossi per utilizzare anche più di tre sensori.

I punti per prelevare i segnali necessari dalla scheda del kit

I rilevatori di raggi cosmici basati sui tubi Geiger-Müller (GMT) utilizzano lo stesso metodo storico di coincidenza e sono sensibili a basse radiazioni, inclusi i raggi X con energie di pochi keV. In alternativa può essere utilizzato uno schermo di piombo (purché sia puro e non radioattivo) per bloccare le particelle a bassa energia, o entrambi i metodi possono essere impiegati in combinazione. I muoni, grazie alle loro alte energie, possono penetrare spessori di materiale notevoli, mentre le particelle prodotte dalla radioattività naturale sono tipicamente fermate dal primo sensore stesso o dallo schermo di piombo.

I rilevatori moderni di raggi cosmici che si basano su scintillatori e fotomoltiplicatori (PMT o SiPM), possono essere piuttosto costosi, spesso necessitando di componenti specializzati ed elettronica sofisticata. Tuttavia, optando per i GMT, è possibile ridurre significativamente il costo complessivo (sotto i 100 euro) ottenendo comunque uno strumento portatile e funzionale. Sebbene l'uso dei GMT possa sembrare obsoleto oggi, essi sono ancora utilizzati nella fisica dei raggi cosmici.

Schema della scheda per la coincidenza

Negli ultimi anni, i kit fai-da-te per contatori Geiger sono diventati ampiamente disponibili da vari fornitori e possono essere facilmente acquistati online o nei negozi di elettronica locali. Questa disponibilità diffusa garantisce che ricercatori, educatori e appassionati abbiano facile accesso ai componenti necessari. I contatori Geiger sono semplici e generalmente economici, e questa è un'altra motivazione convincente per il loro uso nella costruzione di rilevatori di raggi cosmici. Questi contatori sono progettati per essere user-friendly e relativamente semplici da assemblare e operare, anche per individui con limitata esperienza tecnica o conoscenza di elettronica. La semplicità dei contatori Geiger fai-da-te li rende accessibili a un pubblico più ampio, inclusi studenti ed educatori, che potrebbero non avere un'ampia conoscenza della fisica delle particelle o della tecnologia dei rilevatori ma sono interessati a imparare e esplorare i raggi cosmici o a incorporare la fisica dei raggi cosmici nei curricula educativi. Questo approccio alternativo offre l'opportunità di costruire un rilevatore che abbiamo chiamato AMD5ALI, il nome deriva dal noto rivenditore Aliexpress dal quale è possibile acquistare i kit per contatori Geiger. Nella pubblicazione viene inoltre fornito un confronto tra i due dispositivi per evidenziarne le rispettive caratteristiche.

Dato il successo e le capacità dei nostri rilevatori, attualmente stiamo sviluppando una nuova scheda elettronica e altri miglioramenti per il nuovo AMD5, prossimamente pubblicheremo novità e risultati su queste pagine. Come sempre la nostra principale intenzione è quella di promuovere l'esplorazione scientifica e le iniziative educative nel campo della fisica delle astroparticelle.

Pub. website: https://www.mdpi.com/2571-712X/7/3/34
PDF Version: https://www.mdpi.com/2571-712X/7/3/34/pdf

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