Buongiorno, prima di una breve pausa dovuta alle vacanze di Pasqua, vi presento una interessante applicazione scaricabile su smartphone, dove è possibile fare un esperimento di fisica moderna: la rilevazione dei raggi cosmici.

Ci tengo a sottolineare che rispetto ai soliti software 2.0 questa app, come altre che vi presenterò in seguito, NON è una simulazione ma utilizza il cellulare come strumento di misura. Qui lo smartphone non viene usato come facilitatore, ma diventa il soggetto principale con il quale sviluppare competenze ma soprattutto FARE Fisica (contenuti disciplinari che a volte vengono dimenticati...).

In sostanza gli studenti non si limitano ad utilizzare un software, ma il cellulare, nella sua componente hardware, diventa strumento senza il quale non è possibile FARE la misura. L'app permette anche di analizzare il flusso dati in entrata e di ricostruire l'algoritmo di analisi dell'immagine!

L’app al momento è scaricabile solo su Android, fuori dal circuito Playstore,  dal sito del centro di Astrofisica del Winsconsin Icecube http://wipac.wisc.edu/learn.

La rubrica riprenderà da Aprile con cadenza bisettimanale, questo per garantire maggiore qualità al contenuto degli articoli stessi e per dare spazio a proposte di altri colleghi!

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I raggi cosmici

I raggi cosmici sono particelle altamente energetiche che bombardano la Terra isotropicamente dallo spazio, esse sono radiazioni altamente energetiche che provengono principalmente da regioni esterne del Sistema Solare.  Sono formati principalmente da protoni e nuclei atomici altamente energetici  en on esiste ancora una teoria coerente che  dia una spiegazione sulla loro origine (posso originarsi dall’esplosione di una supernovae, ma anche da buchi neri o da nuclei galattici attivi).

I raggi cosmici possono penetrare l’atmosfera terrestre e raggiungere la nostra superficie, cosa che può portare a danni a sistemi microelettronici e a perturbazioni magnetiche locali (ovviamente se la loro frequenza di impatto è elevata). Si pensi che le loro energie sono circa 40milioni di volte maggiori di quelle riscontrabili nell’acceleratore di particelle LHC!!!

I raggi cosmici a contatto con l’atmosfera terrestre liberano particelle secondarie, come i muoni, i quali, quando colpiscono un sensore di immagine presente in una fotocamera (esempio CCD o CMOS) portano a liberare una carica (così come per effetto fotoelettrico un fotone libera un elettrone in un semiconduttore).

I sensori delle fotocamere degli smartphone possono essere usati come rilevatori di radiazione, non solo di muoni, ma anche di particelle alfa e di elettroni.

L’app richiede l’installazione di due parti e solo due minuti di tempo.

Una volta che l’app è pronta, per rilevare i nostri raggi cosmici, occorre semplicemente coprire l’obiettivo della nostra fotocamera con un nastro adesivo o foglio nero. Posizionate lo smartphone su un piano orizzontale ed attendete.

Il software in automatico scatta foto, ad intervalli regolari, seleziona i campioni che possono avere traccia di raggi cosmici e infine segnala quelli che hanno registrato una traccia reale (in sostanza misurano la variazione di corrente di "buio")

Il mio primo tentativo ha rilevato una traccia di raggi cosmici nel giro di 12 ore. Utilizzi successivi mostrano che è possibile rilevare fino a 5 tracce in un giorno (le immagini delle tracce sono scaricabili all’interno di una apposita cartella del nostro cellulare). L'evento viene registrato con alcuni parametri fisici importanti quali latitudine, longitudine, campo magnetico in quel punto. Per l'utilizzo del software si richiede di usare un cellulare secondario, data la mole di tempo della presa dati, infatti, la batteria si scarica velocemente.

Le immagini sono nella cartella /mnt/sdcard/Android/data/org.globalsensorweb.deco

Ovviamente il sensore di un cellulare è troppo piccolo per rilevare tutti gli eventi, ma l’app può essere interessante per vari scopi:

1. Può essere utilizzato come domanda stimolo per spiegare un fenomeno comprensibile solo all’interno di una proposta coerente di Fisica Moderna a Scuola
2. L’analisi di un evento, come vedremo, si rileva interessante in un approccio Problem Solving

Analisi di un evento

In foto potete vedere un esempio di evento registrato come causato da un raggio cosmico.

Con gli studenti ho chiesto cosa potessero essere le due tracce.

Ecco le possibili risposte:

1. Uno scattering Compton che porta alla formazione di due elettroni , dovuti all’impatto di due positroni, con formazione di due raggi gamma
2. Una particella incidente ionizza e interagisce per creare un pione che decade in due gamma.
3. Una particella incidente crea uno stato eccitato che decade in due gamma.
4. Un decadimento multistep avviene fuori dal piano del sensore di immagine della fotocamera, creando tre diverse particelle che attraversano il piano del sensore (e almeno un altro nella direzione opposta).
5. muoni Coulomb scattering di un nucleo di silicio, in cui il punto luminoso risulterebbe dalla ionizzazione causato dal rinculo nucleare

L’app ci permette di dire che il tempo di esposizione è di 40ms e dato che l’esposizione media è di ½ secondo, il tempo medio di vita è del 5%.

Non mi dilungo tropo sui dettagli tecnici, altrimenti tolgo tutte le sorprese che questa app riserva  per una sperimentazione in classe.

Sicuramente con tale APP è possibile FARE Fisica Moderna ed in una metodologia problem solving affrontare tantissime questioni interessanti legate alla fisica delle particelle elementari. In tal senso vi consiglio di utilizzare anche l'app LHSee https://play.google.com/store/apps/details?id=com.lhsee, del Cern, dove è possibile imparare a riconoscere gli sciami di particelle

In tutto il mondo esistono numerosi docenti e studenti che utilizzano questa app, utilizzata al momento soprattutto per scopi didattici, ma che permette di fare una mappatura di tutti gli eventi cosmici registrati da cellulare nel mondo  e noi italiani ci siamo, compreso il sottoscritto a Padova (foto in basso)!!!!!!!

Per info suggerimento o proposte scrivetemi ad Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo. 

DECO is made possible by support from the American Physical Society, the Knight Foundation, and the Simon-Strauss Foundation. Teacher participation is supported by QuarkNet.