AUTOCOSTRUZIONE DI UNA CAMERA A NEBBIA

DI GIANFRANCO MARTINI E FLAVIO CASTELLANI
Osservatorio Astronomico del Monte Baldo

È un fatto accertato, che gli occhi creino una visione errata della realtà; non stiamo parlando di psicologia della percezione, ma proprio di una nostra incapacità, o forse sarebbe più corretto dire “limite”, fisico nell’osservazione di ciò che ci circonda.

Per rendersene conto basta guardare il cielo in una bella nottata. Le stelle ci sembrano tutte alla stessa distanza. La mente sa che vi sono spazi enormi tra una e l’altra ma, ciò nonostante, non riusciremo mai a vedere l’abisso che separa Vega, a 25 anni luce da Deneb a 2600 ed Altair a soli 17. I nostri occhi continueranno a vedere un triangolo, “fissato alla sfera del cielo”. Proprio per questo, colpiscono così profondamente quegli esperimenti che consentono in modo semplice ed immediato di portare ai limiti della nostra capacità di percezione ciò che di solito è invisibile. Il lento oscillare del pendolo di Foucault che con la sua rotazione mostra il moto della terra attorno al suo asse o la camera a nebbia dove, simili a meteore, subitanee scie di vapore, appaiono e scompaiono, rendendo palese che siamo di continuo attraversati da innumerevoli particelle elementari, molte dei quali provenienti dallo spazio, in quella che chiamiamo radioattività naturale.

L’idea di realizzare per il nostro osservatorio astronomico una camera a nebbia, nacque in una visita dell’associazione ai Laboratori Nazionali di Frascati, in una delle giornate Open Labs, nel corso della quale restammo un’ora in contemplazione davanti ad uno strumento simile.

Già nel ritorno in pullman chiacchierammo per ore su come fosse possibile realizzarla e sull’utilità come strumento didattico presso l’Osservatorio del Monte Baldo. La sfida fu raccolta da uno di noi, Gianfranco Martini, che in pochi mesi realizzò un primo modello, seguito poi da altri sempre più grandi, potenti e perfezionati.

Il Rivelatore

Il modello di camera a nebbia da noi progettato e realizzato è quello a “diffusione”, evoluzione del primo modello ad “espansione” di Wilson. Il principio, è quello di creare un forte gradiente di temperatura (circa 80/100° C) tra la base e la sommità di un contenitore sigillato. Nella parte superiore, dove il calore è ottenuto da un sistema di resistenze riscaldate dal passaggio di corrente, si trovano due spugne imbevute di alcol isopropilico.

Esso evapora e scende nella parte inferiore della camera dove, a contatto con una superficie raffreddata da un sistema frigo, a temperature tra i -40 e i -50 C°, forma uno strato di alcuni centimetri di gas soprasaturo. Il gas, in condizioni di estrema instabilità condensa in scie di vapore attorno agli atomi d’aria ionizzati dal passaggio di una particella radioattiva. La costruzione è relativamente semplice in quanto necessita di un sistema di raffreddamento simile ad un congelatore ed un parallelepipedo trasparente, costruito in plexiglass, aperto su di un lato, come un acquario ribaltato. Per il sistema raffreddante si utilizza un normale compressore da frigo/congelatore da almeno 1 hp assieme ad un radiatore del tipo utilizzato nei comuni condizionatori portatili con abbinate 4 ventole da 120mm e 220 volt.

Il radiatore serve per raffreddare e condensare il gas e riportarlo nello stato liquido.
Nella base fredda vengono immesse 2 piastre di alluminio nel cui mezzo è posto, tipo sandwich, un tubo di rame avvolto a serpentina all’interno del quale scorrerà il liquido refrigerante che passando dalla fase liquida a quella gassosa assorbirà il calore dalla base. Si tratta di un passaggio delicato e critico dovendo prestare attenzione al bilanciamento fra la quantità di gas e la pressione in modo da arrivare ad una temperatura di -40°/-50°C. Il gas utilizzato è il R410A,gas con cui si alimentano comunemente i moderni impianti di condizionamento.

Se non si riesce a realizzare l’impianto di raffreddamento come appena descritto, si può tamponare con del ghiaccio secco che evapora a circa -80 C°. In tal caso sarà sufficiente porre la piastra di alluminio appena al di sopra di una base proprio di ghiaccio secco per ottenere la temperatura desiderata ma, come dicevamo, si tratta di una soluzione precaria che porta con se alcuni svantaggi. Oltre al costo del ghiaccio infatti, ci sono la difficoltà di conservazione, rischi di scottature e vita media utile del ghiaccio piuttosto contenuta.

Per arrivare ad un gradiente di 80/100°, la parte alta del parallelepipedo, in contrapposizione alla base, dovrà essere riscaldata ma sarà sufficiente installare delle resistenze a filo del tipo utilizzato nelle stufette elettriche ed alimentate a 12 volt. Ad una temperatura di 60° C circa otterremo già il gradiente desiderato in grado di rendere molto più spesso lo strato di nebbia che altrimenti sarebbe di solo un centimetro. La camera in effetti funzionerebbe lo stesso ma aumentando l’altezza dello strato di nebbia, come è facile intuire, si semplifica la visione delle particelle.

Un passaggio importante è ottenere una perfetta sigillatura tra la base e il contenitore su di essa appoggiato. Per un lavoro ben fatto è necessaria precisione e cura nell’incollare una normale guarnizione per finestre alla base di alluminio per tutto il perimetro di appoggio. In tal modo si evita che si produca uno scambio di aria dall’esterno all’interno della camera che impedirebbe la formazione dello strato di vapore soprassaturo, inoltre le dimensioni, e con ciò ci stiamo riferendo al solo blocco in plexiglass, non sono critiche ma, bisogna avere un’altezza di almeno 20cm e non superiore ai 25cm e i lati da 25 x 35 cm circa, questi possono variare ma non di molto altrimenti non si riesce a raffreddare sufficientemente.

Un optional che migliora la sensibilità dello strumento è quello di creare un campo elettrico di almeno 15/20.000 volt per “pulire” l’aria contenuta nella camera dal pulviscolo, oltre che da ioni creati nel passaggio delle particelle (Ion Scrubber). Il campo agisce come un cancellino sulla lavagna, rendendo più sensibile il gas al passaggio delle particelle. Il dispositivo che crea il campo si realizza inserendo dei fili di rame sottili nella parte alta, appena al di sotto delle resistenze ai quali verrà collegato un polo di un generatore di alta tensione, mentre l’atro polo andrà collegato alla piastra base. Tali generatori, usualmente alimentati a 6 volt e in grado di creare un voltaggio di 400Kv, sono strumenti abbastanza economici e facilmente reperibili. Un’accortezza da seguire è quella di ridurre l’alimentazione ad 1,2/1,3 Volt, con un regolatore di tensione, in modo da portare il voltaggio ai 15/20 Kv necessari. L’attivazione dello Ion Scrubber è ottenuta tramite un pulsante. Si aziona il campo elettrico per alcuni secondi e poi lo si rilascia, terminato il processo di pulizia si può continuare con l’osservazione delle tracce.

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Le scie lasciate dagli ioni dovranno essere illuminate per essere percepibili dall’occhio umano, effetto che si raggiunge posizionando una striscia di led bianchi, alimentati anch’essi a 12 volt, radente la piastra fredda (in basso). Le tracce inoltre saranno ancora più evidenti se la stessa base sarà stata ricoperta di vinile oppure meglio se anodizzata per enfatizzare in contrasto. La nebbia è generata da un panno fissato in alto ed imbevuto di alcool isopropilico, il quale riscaldato rilascerà le molecole che (aiutato eventualmente dalle resistenze riscaldanti) lentamente scenderanno nella parte bassa della camera, ove incontrando la piastra fredda a -48/50° si svilupperà della nebbia di vapore soprassaturo.

La Didattica

La camera a nebbia installata presso l’osservatorio si rivelata nel tempo uno formidabile strumento didattico con cui spiegare la radioattività naturale, la natura e l’origine dei raggi cosmici secondari e mostrare le tracce create dalle particelle generate nella “cascata” del decadimento di un raggio cosmico nell’alta atmosfera. I raggi cosmici primari (così chiamati per distinguerli dai raggi cosmici secondari, composti da particelle nate dal decadimento dei primi) sono per 89% protoni, a cui segue un 10% di nuclei di Elio (particelle alfa) e da elementi come Litio, Berillio e Boro, ma anche elementi molto più pesanti come il Ferro. Una piccolissima percentuale di raggi cosmici sono prodotti da antimateria; positroni ed anti protoni.

Anche se la maggior parte dei raggi cosmici sono di provenienza solare, associati ad eruzioni della nostra stella, quelli ad energie più elevate sono invece, tutti di origine extra-solare e possono essere sia di natura galattica che extra galattica. Si ipotizza che l’interazione tra i gusci di una supernova in espansione possa fungere da buona fonte per la produzione di raggi cosmici, così come anche i nuclei galattici attivi, le quasar e nubi di formazione stellare sono in grado di creare ambienti atti alla produzione di particelle accelerate a velocità relativistiche.

L’individuazione delle sorgenti di raggi cosmici è sempre difficile perchè le particelle cariche a contatto con il campo magnetico terrestre subiscono una variazione della traiettoria, una curvatura, effetto che può essere amplificato anche dall’influenza di altri campi come quello galattico. Le energie trasportate da queste particelle sono impressionanti, possono arrivare fino a 100 milioni di teraelettronvolt, pari all’energia portata da una pallina da tennis lanciata da un giocatore, solo che le particelle sono 100 miliardi di volte più piccole di una palla da tennis. Prima dell’avvento dei grandi acceleratori di particelle, i raggi cosmici erano per altro l’unico modo per i fisici di poter studiare energie così elevate. Nella camera a nebbia le particelle, mostrano tracce diverse a seconda dell’energia trasportata, della massa e della carica (quest’ultima solo se presente un campo magnetico).

Nella tabella sono illustrati alcuni tipi di particelle visibili. Oltre al classico esperimento dell’inserire nella camera un campione di materiale leggermente radioattivo (ad esempio la Pechblenda), vedendo le radiazioni che si originano dal campione, di sicuro interesse è anche l’esperienza di iniettare nella camera una certa quantità di gas Radon, osservandone la catena di decadimento che porta all’emissione di due particelle alfa con la caratteristica impronta a V. Se vi chiedete dove procurarvi del gas Radon, basta cercare una vecchia lampada a gas da campeggio.

Le reticelle (dette di Auer) montate sul beccuccio del gas, erano composte per buona parte di ossido di Torio, che genera nel deca dimento gas Radon. Basta quindi prendere una retina ed inserirla in una siringa, estraendo lo stantuffo, perché in qualche tempo si generi all’interno una piccola quantità di Radon. Iniettatelo e state a vedere, in pochi minuti la cascata di radiazioni alfa che si genera. Ma l’osservazione che colpisce certamente di più è quella dei muoni, raggi cosmici secondari, osservabili a terra solo per gli effetti relativistici, dovuti alla loro elevatissima velocità, che allungano l’emivita di queste particelle di decine di volte (vedi riquadro sui Muoni). Per tutta la prima meta del secolo scorso le camere a nebbia sono state un’insostituibile strumento per lo studio delle particelle, subendo numerose modifiche e miglioramenti per renderle pratiche nell’utilizzo e sensibili come rilevatori.

Una delle prime migliorie, operate dallo stesso Wilson fu quella di scattare immagini fotografiche, riuscendo, con molte difficolta, a riprendere le scie delle prime particelle, che furono presentate nel 1911 alla Royal Society. Negli anni 30 vi furono ulteriori perfezionamenti, come l’utilizzo di campi magnetici per rilevare i segni delle cariche delle particelle, l’introduzione di una molla che permetteva una rapida espansione e compressione del gas per ottenere le condizioni di soprasaturazione in intervalli inferiori al secondo, l’utilizzo di contatori Geiger per rilevare il passaggio di una particella ad alta energia e la ripresa degli eventi tramite film. Per questi sviluppi, ricordiamo anche il nostro Giuseppe Occhialini che lavoro in collaborazione con il britannico Patrick Blackett. Sempre negli anni trenta venne sviluppata un nuovo tipo di camera , detta “a diffusione” nella quale le condizioni di soprasaturazione potevano essere mantenute per lungo tempo impiegando una superficie raffreddata sul fondo della camera, che creava un vapore di alcol (come Isopropanolo o Metanolo) fornito da un contenitore riscaldato posto sulla parte alta della camera.

Numerose sono le scoperte ottenute con questi strumenti, fra le quali le piu importanti sono state certamente quelle del positrone e dei muoni, da parte di Carl Anderson, oltre che del Kaone (Rochester e Butler, 1947). Pur non essendo in grado di rilevare direttamente i raggi cosmici primari, questi strumenti sono stati utilissimi per studiare le particelle derivate dal decadimento dovuto agli impatti con gli atomi dei gas atmosferici.

Futuri Sviluppi

Una volta portato a termine un progetto che riempie di orgoglio e soddisfazione si sa che l’entusiasmo cresce e fermarsi è sempre più difficile, così oggi per la nostra piccola comunità il sogno sarebbe quello di poter inserire un campo magnetico, con direzione verticale rispetto alla base, all’interno della camera. Ciò consentirebbe di vedere le traiettorie delle particelle incurvate per effetto della forza di Lorentz e determinare la natura delle stesse. Per avere un campo magnetico di adeguata intensità si dovrebbe realizzare un elettromagnete composto di due bobine separate ma percorse dalla stessa corrente, una adagiata sul fondo della camera e l’altra ad una distanza di alcuni centimetri sopra. All’interno dello spazio tra le bobine verrebbe prodotto un campo magnetico ortogonale alla direzione di passaggio delle particelle che consentirebbe di vedere le traiettorie incurvarsi, in modi opposti, per effetto dell’attrazione elettromagnetica a seconda carica della carica, positiva (per esempio positroni) o negativa (elettroni) e con raggio proporzionale alla massa e all’energia della particella (elettroni, muoni, protoni). Naturalmente abbiamo già eseguito delle stime di fattibilità e la difficoltà principale nel realizzare il campo magnetico è dovuta alla notevole quantità di corrente necessaria per ottenere un’intensità adeguata a visualizzare la curvatura delle tracce. Un’intensità di corrente così elevata di per se non è difficile da ottenere ma comporta un riscaldamento della base per effetto Joule ( W= R*i^2) che contrasta l’esigenza di mantenere la base fredda.

Storia delle camere a nebbia

La Camera a nebbia fu realizzata tra il 1896 e il 1911 dal fisico scozzese Charles Thomson Rees Wilson, per studiare i meccanismi di formazione delle nuvole ed i fenomeni ottici associati a queste, come i cosiddetti “Anelli della gloria” (o spettro di Brocken). Non si tratto quindi di uno strumento ideato per lo studio delle particelle ma per esperimenti di meteorologia. La macchina creata da Wilson era formata da due camere sigillate, comunicanti tra loro tramite una valvola che poteva essere aperta o chiusa. Nella prima camera si inseriva aria umida, portandola vicina al punto di saturazione con un raffreddamento ad acqua. Nella seconda camera veniva invece fatto il vuoto. Al momento dell’apertura della valvola, la rapida espansione del gas creava le condizioni di un vapore soprasaturo. Queste condizioni duravano pochi istanti, dopo i quali la soprasaturazione cessava e la camera doveva essere ricaricata per essere riutilizzata. Nel corso dei suoi studi Wilson inizio a notare che all’interno della camera si formavano delle scie di vapore, arrivando a comprendere che si trattasse di particelle che attraversavano il gas, facendolo condensare. Infatti, quando una particella carica attraversa la camera, ionizza le molecole del gas, creando una serie di ioni e elettroni. Queste particelle ionizzanti servono da nuclei di condensazione per le goccioline d’acqua che formano una sottile traccia di nebbia. Per “il suo metodo di rendere visibili i percorsi delle particelle elettricamente cariche mediante la condensazione del vapore” Charles Willson ottenne il premio Nobel nel 1927.

Per tutta la prima meta del secolo scorso le camere a nebbia sono state un’insostituibile strumento per lo studio delle particelle, subendo numerose modifiche e miglioramenti per renderle pratiche nell’utilizzo e sensibili come rilevatori. Una delle prime migliorie, operate dallo stesso Wilson fu quella di scattare immagini fotografiche, riuscendo, con molte difficolta, a riprendere le scie delle prime particelle, che furono presentate nel 1911 alla Royal Society.

Negli anni 30 vi furono ulteriori perfezionamenti, come l’utilizzo di campi magnetici per rilevare i segni delle cariche delle particelle, l’introduzione di una molla che permetteva una rapida espansione e compressione del gas per ottenere le condizioni di soprasaturazione in intervalli inferiori al secondo, l’utilizzo di contatori Geiger per rilevare il passaggio di una particella ad alta energia e la ripresa degli eventi tramite film. Per questi sviluppi, ricordiamo anche il nostro Giuseppe Occhialini che lavoro in collaborazione con il britannico Patrick Blackett. Sempre negli anni trenta venne sviluppata un nuovo tipo di camera , detta “a diffusione” nella quale le condizioni di soprasaturazione potevano essere mantenute per lungo tempo impiegando una superficie raffreddata sul fondo della camera, che creava un vapore di alcol (come Isopropanolo o Metanolo) fornito da un contenitore riscaldato posto sulla parte alta della camera. Numerose sono le scoperte ottenute con questi strumenti, fra le quali le piu importanti sono state certamente quelle del positrone e dei muoni, da parte di Carl Anderson, oltre che del Kaone (Rochester e Butler, 1947). Pur non essendo in grado di rilevare direttamente i raggi cosmici primari, questi strumenti sono stati utilissimi per studiare le particelle derivate dal decadimento dovuto agli impatti con gli atomi dei gas atmosferici. 

Il muone “2,2 microsecondi” per una vita intera

Quando si dice “un battito di ciglia” si intende qualcosa di estremamente rapido, ma per un muone questo tempo sarebbe lunghissimo. Se consideriamo un tempo di 0,1 secondi per un battito di ciglia, questo rappresenta piu di 45 mila volte la vita media di questa particella. I muoni appartengono alla famiglia dei Leptoni e sono particelle fondamentali, (non formate a loro volta da altre particelle). La famiglia dei leptoni conta tre particelle (Il Muone, il Tauone e l’Elettrone), assieme alle corrispondenti antiparticelle ed i loro neutrini. Successivamente alla sua scoperta, avvenuta nel 1936, questa particella era stata identificata con il mesone previsto teoricamente proprio in quegli anni dal fisico giapponese Hideki Yukawa e solo nel 1946, ad opera dei fisici italiani Conversi, Pancini e Piccioni si era capito che questa particella era qualcosa di totalmente diverso dal previsto Mesone-pi (mediatore della forza forte). Pur essendo identico all’elettrone per carica e spin, la massa del Muone e 207 volte maggiore. Inoltre, a differenza del suo piccolo “fratello” che e stabile, la particella μ- decade in appena 2,2μs, un tempo che pur sembrando brevissimo non e un’eccezione nel mondo delle particelle elementari, essendovi particelle con vite medie molto piu brevi, come lo stesso tauone, il terzo dei leptoni con carica che “sopravvive” soltanto 2,9 x 10^(-13)s, meno di 1/60.000 della vita del muone.

La principale fonte naturale dei muoni sulla terra sono i decadimenti dei raggi cosmici primari di protoni, che si “dividono” in pioni i quali a loro volta decadono in muoni. La velocita con cui si muovono i muoni e molto vicina a quella della luce, ma nonostante questo, la loro breve vita media dovrebbe permettere loro di percorrere solamente poche centinaia di metri, prima di decadere a loro volta in altre particelle e solo pochissime potrebbero attraversare l’intera colonna atmosferica. Ciononostante, un flusso continuo e vigoroso di muoni raggiunge la superficie terrestre e grazie ad una elevata capacita di penetrazione nella materia, vengono addirittura rilevate a grandi profondita sottomarine e sotto strati di centinaia di metri di roccia. I muoni sembrano quindi vivere molto più a lungo di quanto dovrebbero. Il motivo di questa insolita longevità risiede proprio nell’elevata velocita. Gli effetti di contrazione relativistica, previsti dalla relatività ristretta mostrano che alle velocita rilevate per queste particelle, tra lo 0,9992c e il 0,9998c le loro vite medie crescono da una cinquantina a qualche centinaio di microsecondi; più che sufficienti per arrivare al suolo, considerando che le interazioni tra i raggi cosmici e l’atmosfera sono per la grandissima parte tra i 20 ed i 15 chilometri.

Parafrasando quindi il famoso paradosso dei gemelli poniamo vi siano due muoni (M. Fast e M. Slow) che si creano allo stesso istante nell’alta atmosfera. M. Fast, corre quasi alla velocita della luce verso la terra, mentre il secondo “gemello” resta fermo. Quest’ultimo nella sua vita di 2,2 microsecondi, Slow farebbe in tempo ad osservare il suo veloce fratello attraversare poco meno di 500 metri di atmosfera e dovrebbe consegnare ai figli ed alle successive generazioni il compito di seguire la corsa sfrenata di Fast, il cui tempo sembrerebbe quasi “congelato”. Come nel paradosso dei gemelli pero il muone che viaggia attraverso l’atmosfera vicino alla velocita della luce, non si rende conto che il suo tempo scorre piu lentamente. Se fossimo “a cavallo” del muone, il tempo ci sembrerebbe scorrere normalmente, mentre quello che sembrerebbe contrarsi, sarebbe lo spazio. Dal suo punto di vista i 15 o 20 km di atmosfera, sembrerebbero essere poche centinaia di metri, e lui farebbe a tempo a percorrerli nei suoi 2,2 microsecondi di vita.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 265 VERSIONE CARTACEA