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I rivelatori di particelle I rivelatori di particelle La moderna fisica atomica si basa su questi strumenti, veri occhi per Yinfinitamente piccolo - Sono di diverso tipo e permettono sia di accertare il passaggio di protoni ed elettroni, sia di fotografarne le traiettorie - Dal vecchio elettroscopio ai contatori Geiger a quelli «a scintillazione» - Le camere di Wilson I lettori conoscono già 11 prof. Italo Federico Quercia, direttore del Laboratori Nazionali del Sincrotrone di Frascati, ordinarlo di Fisica all'Università di Catania, per l'articolo « L'inflnltamente piccolo», pubi bucato nelle ' < Cronache della Scienza» del 28 febbraio 1963. L'Insigne studioso completa ora — in certo modo — l'argomento, illustrando gli artifici, 1 tramiti sensibili, grazie a cui si rivela a noi la presenza delle minime unità materiali. Alla base delle ricerche sulla struttura della materia, oggi come ieri come duemila anni or sono, sta un'idea semplice: che sia possibile descrivere la na tura in termini di pochi eie menti, in una grandissima varietà di combinazioni. Ma quali sono questi elementi? Oggi sappiamo che forme e fenomeni vari possono essére attribuiti a un nume ro limitato di particelle elementari, che interagiscono tra di loro in maniera ben definita. Di esse si è scoperto che obbediscono ad una loro meccanica (la mecca nica quantistica), e aiprin : cipi della relatività; che posseggono alcune proprie tà intrinseche, come la massa e il cosiddetto «spin», e sono collegate da speciali forze (dette anche intera zioni). Come si scoprono e si studiano le particelle eie mentari? In un precedente articolo, apparso sulle Cronache della Scienza (L'infinitamente piccolo - 28 febbraio 1963) s'è cercato di dare un'idea dell'impiego — a questo scopo — dei gran di acceleratori. Questi prò ducono fasci di elettroni o di protoni velocissimi, mediante i quali è possibile studiare le interazioni con altre particelle elementari per esempio nuclei di idrogeno (protoni) o di altri elementi. Da queste interazioni accade che vengano prodotte nuove particelle-, il cui studio costituisce il più appassionante tema della ricerca fisica contemporanea. Ma come vengono osser vati questi processi, che si svolgono sovente in pochi miliardesimi di secondo ? Gli « òcchi » che ci permettono di Vederli sono i rivelatori di particelle: oggetto di un modernissimo capitolo della fisica, nel quale trovano im piego le tecniche più avan zate. In generale, una particel la in movimento (per es. un elettrone o un protone) è rivelata grazie al fatto che essa possiede una carica elettrica; e perciò, nel suo moto, strappa (per effetto elettromagnetico), elettroni dagli atomi della materia che attraversa, lasciando dietro di sé una scia di elet troni e di atomi ionizzati - (cioè, dotati di carica elet ~ trica). Particelle senza ca rica possono essere rivel'* indirettamente, solo cioi1 mediante collisioni o i' zioni, producono secondarie cariche. . velazione di queste spesso risalire, alle prim*. t Un sistema per rivelare • particelle ionizzate fu già ;. l'elettroscopio, la bottigljet'. ta nota se non altro dai te- • sti scolastici, contenente la K coppia di sottili fogliolino ; di metallo. Lo .struménto è E tuttora impiegato per fare ria «f arno iv Hauo ni ar\n/v ina. da < spia » dove ci sono pe ricoli di radiazioni. Il gas in esso contenuto, al passaggio delle particelle, diventa qualche po' conduttore e perciò l'elettrodo carico ed isolato, immerso in esso, perde progressivamente la sua- carica elettrica. Se si misura quella rimasta, si può risalire al flusso di particelle ionizzanti. L'elettroscopio non fu in grado pe. rò di segnalare il passaggio di particelle singole: finché l'elettronica, una trentina di anni fa, consenti (mediante l'amplificazione a valvole), di rivelare anche i piccoli impulsi di corrente provo, cati nel gas dal passaggio di una singola particella Quésto strumento, assai perfezionato, serve tuttora, perché permette anche la misura delle energie che le particelle perdono nell'attraverFire il gas. In questa forma, esso è detto « camera a ionizzazione ». n contatore di Geiger ha ormai circa 40 anni, ed è sempre utilissimo. Anch'esso è un recipiente contenente del gas; in esso un elevato cadipagatrcitoprsotaelsovesuritacidiuriGziplovpmrelamqpzeulodcesgsglisnnpmfpIdgzmstbuubglilbcvdtldtatup«mqtvpvdl o e n i o l ù i i i o i n a n è e a o o i a o t i e à te- a o è e a. e n gcampo elettrico è creato mediante due elettrodi. Una particella che attraversi il gas, lascia dietro di sé elettroni e atomi emetrizzati, ciascuno dei quali, accelerato dal campo elettrico, ne provoca altri. Questo processo a valanga genera nel contatore una scarica tra gli elettrodi, e quindi un impulso di corrente facilmente rivelato. Nell'ultimo decennio soiic subentrati altri, migliori, rivelatori, i cosiddetti contatori a scintillazione, precisi a qualche miliardesimo di secondo (la precisione è un migliaio di volte supe riore a quella dei contatori Geiger: spesso l'individuazione di una particella è proprio basata sulla sua ve locità, misurabile dall'Inter vallo di tempo che essa im piega a passare da un pri mo a un secondo rivelato re). Un contatore a scinti! lazione è costituito da un materiale trasparente, liquido o solido (spesso di plastica) contenente sostati ze chimiche che emettono un lampo di luce quando i loro atomi vengono eccitati dal passaggio di una parti cella ionizzante. Queste sostanze possono essere foggiate nelle forme più diverse (invece un contatore Geiger ha fórma obbligata, cilindrica) e vengono connesse con un « occhio elettronico ». Altri rivelatori consentono non solo di avvertire il passaggio di una particella, ma addirittura di fotografarne la traiettoria; e sono perciò detti « visualizzanti ». Il più semplice è costituito da una speciale lastra fotografica: una particella ionizzante, che ne attraversi l'emulsione, vi lascia impressionati lungo la scia un certo numero di grani sensibili. Lo sviluppo, come per una negativa fotografica, dà una immagine in nero su bianco della traiettoria■■ seguita dalla particella. Un altro dispositivo visualizzante richiama alla mente il passaggio degli aerei nell'alta atmosfera: la scia bianca di un invisibile jet che vola a 10.000 metri, do vuta al condensarsi di goc doline di vapore sulle par ticelle dei gas combusti del l'aereo. In certo condizioni di pressione e di temperatura, il vapor: si condensa anche sugli ioni lasciati dietro di sé dal passaggio di una particella. Su questo principio si costruiscono « camere di Wilson » o « ca mere a diffusione », nelle quali le traiettorie delle par ticelle possono essere age volmente fotografate. Di recente è stato sviluppato un tipo di rivelatore visualizzante che consente di osservare e fotografare le scie in un liquido (in certi casi entro l'idrogeno liquido, il che permette di os servare le reazioni provocae da particelle sui nuclei U'idrogeno, che sono approtoni). Qui le scie erie di bollicine di va \lcune delle particel 'o individuate, i cosi ue. 'esoni « omega « et; sono appunto stati scopeti ricostruendo i processi avvenuti in una grande camera a bolle di idrogeno, e selezionandoli fra centinaia di migliaia di altri eventi fotografati. E' questo un nuovo metodo di ricerca. Mediante un gcvmgacsermlmdslmb grande acceleratore ed una camera a bolle vengono provocate reazioni la cui immagine è fissata su fotogrammi. Questi vengono analizzati ed esplorati, secondo un programma prestabilito, da un calcolatore elettronico. L'apparato di ricerca raggiunge spesso dimensioni impressionanti: l'acceleratore può essere una macchina di 200 metri di diametro, che richiede l'assistenza di decine di specialisti; la camera a bolle un mostro di acciaio inossidabile di decine di tonnellate, contenente idrogeno liquido alla temperatura di circa 250 gradi sottozero; il calcolatore occupa magari un intero edificio. Una singola esperienza impegna folti drappelli di studiosi, spese di decine di milioni, e macchinari e laboratori de! valore di miliardi. In queste imprese è impegnato oramai il prestigio di tutte le Nazioni civili, un prestigio non limitato agli uomini di scienza. Il nostro paese è impegnato, con le Università, l'Istituto Nazio naie di Fisica Nucleare, Laboratori di Frascati, nonché con la sua partecipazione ai Laboratori Europei del Cern dì Ginevra, in questo fronte della ricerca. Sarebbe un imperdonabile errore se i fisici italiani dovessero oggi ripiegare dalle posizioni di prestigio guadagnate con un lavoro tren tennale, per una di quelle crisi finanziarie che si abbattono periodicamente sui fondi messi a disposizione delle ricerche nel nostro paese. prof. I. F. Quercia del Laboratori Nazionali di Frascati