I contributi di Bruno Benedetto Rossi alle ricerche sui raggi cosmici · 2019-03-25 · I contributi di Bruno Benedetto Rossi alle ricerche sui raggi cosmici Giulio Peruzzi Dipartimento

I contributi di Bruno Benedetto Rossi alle ricerchesui raggi cosmici

Giulio Peruzzi

Dipartimento di Fisica e AstronomiaUniversità di Padova

International Masterclasses 2019Dipartimento di Fisica e AstronomiaAula Rostagni, 20-22 marzo 2019

G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Raggi cosmici Padova, 20-22 mar 2019 1 / 39

PrologoCi si rende presto conto [1929 -esperimento di Bothe e Kolhörster]che in realtà esistono due problemidistinti: quello della radiazione pri-maria [...] e quello della radiazionelocale. [...]

La radiazione locale è accessibilea uno studio diretto e a questo de-cido di dedicare i miei sforzi conl’entusiasmo di un giovane che, im-pegnandosi per la prima volta inuna ricerca scientifica, si avventu-ra in un terreno pieno di misteri maanche di promesse.

[Rossi, L’enigma dei raggi cosmici, 1986]


Indice

1 Raggi cosmici

2 Bruno Benedetto RossiGli anni della formazioneRicerche a Firenze1932-1938: PadovaDa Padova agli Stati UnitiLos Alamos e il Progetto ManhattanMassachusetts Institute of Technology (MIT)


Raggi cosmici

XVIII secolo: perché si scaricaun elettroscopio?

Una possibile spiegazione: laradioattività (1896).

Elettroscopio originale [perfezionamenti di Elstere Geitel (1890) e Wulf (1909)]

Domenico Pacini (1912)

Victor Hess (1912)


Raggi cosmici

Contesto fino alla fine degli anni 1920.

Solo tre particelle: elettrone, protone e (faticosamente si affermal’esistenza del) fotone.

1925-1926: meccanica quantistica.

Interazioni note: gravitazione, elettromagnetica e si inizia apensare che nel nucleo ci siano nuove interazioni (nucleari).

Bisogna rivedere le idee sulla costituzione della materia? Qual è ilnumero e la natura delle interazioni fondamentali? I raggi cosmicisvolsero un ruolo cruciale in questi sviluppi (teorici e sperimentali).


Raggi cosmici

Alcuni dei clamorosi risultati tra gli anni 1930 e 1950.

1932: Carl Anderson: scoperta del positrone (antimateria).Conferma e interpretazione teorica (sulla base della teoria diDirac) da parte di Beppo Occhialini e Patrick Blackett (1932-33).1937: Carl Anderson con Seth Neddermeyer e Jabez Street conEdward Stevenson scoprono il muone.1939-42: misura della vita media del muone (verifica delleprevisioni della relatività ristretta).1946: Marcello Conversi, Ettore Pancini, Oreste Piccionidimostrano che il muone non è il mediatore delle interazioninucleari forti.1947: scoperta del pione (Cecil Powell, César Lattes, GiuseppeOcchialini).1947: scoperta del kaone (Butler, Rochester), la prima particella“strana”.


Bruno Benedetto Rossi Gli anni della formazione

Bruno Benedetto Rossi (Venezia, 1905 - Cambridge, USA, 1993)

Dopo aver seguito i primi due anni universitari a Padova, Rossi passaa Bologna dove si laurea nel 1927.

Su suggerimento di Rita Brunetti, inizia la sua carriera accademica nel1928 all’Università di Firenze, come assistente di Antonio Garbassoalla cattedra di fisica sperimentale, collaborando con un gruppo di fisicidi cui ricorderà per tutta la vita il valore scientifico e l’amicizia.

Citiamo tra questi Gilberto Bernardini, uno dei grandi artefici dellarinascita della fisica italiana nel secondo dopoguerra, Giulio Racah,Daria Bocciarelli, Lorenzo Emo Capodilista, Guglielmo Righini eGiuseppe Occhialini. Quest’ultimo darà contributi fondamentali nellostudio dei raggi cosmici, considerandosi sempre allievo di Rossi, perquanto solo di due anni più giovane.



Bernardini e Rossi ad Arcetri.Ingresso Arcetri: Occhialini,

Bernardini, Bocciarelli, Rossi.



Da sinistra: Lorenzo Emo Capodilista, Beatrice Crinò, Gilberto Bernardini, AttilioColacevich, Daria Bocciarelli


Bruno Benedetto Rossi Ricerche a Firenze

Contatori Geiger-Müller (inventati nel 1908, sviluppati nel 1928)

Costituiti da un tubo di metallo con un filo passante sull’asse del cilindro. Iltubo contiene gas a bassa pressione, e una differenza di potenziale diqualche centinaio di volt viene applicata tra il tubo e il filo. La tensione non èabbastanza alta da innescare una scarica, ma se una particella ionizzanteattraversa il tubo si produce una scarica che viene registrata.



La scoperta di Bothe e Kohlhörster è una sfida al quadro interpretativodominante, una sfida raccolta da Rossi con entusiasmo. In poche settimane ilgiovane scienziato veneziano inventa e pubblica il disegno di un circuitocostituito da triodi e da contatori di Geiger-Müller che permette laregistrazione automatica delle coincidenze fra diversi contatori.

B. Rossi, "Method of Registering Multiple Simultaneous Impulses of Several Geiger’s Counters", Nature 125 (1930).



Con il nuovo circuito, che fu largamente utilizzato negli anni successivida Rossi stesso e da moltissimi dei fisici che si interessarono ai raggicosmici, Rossi evidenziò lo straordinario potere di penetrazione delleparticelle della radiazione cosmica attraverso strati di piombo di oltreun metro, e scoprì che la radiazione cosmica produceva nella materiacon inaspettata frequenza gruppi di particelle che diventeranno notecon il nome di showers (sciami).

Sulla base di questi esperimenti Rossi si schierò con decisione con ilgruppo di fisici - Arthur Compton fra gli altri - che sostenevano la tesicorpuscolare, la quale identificava la radiazione cosmica primaria conun flusso di particelle cariche. L’altro fronte, Millikan in testa,continuava a considerare la radiazione cosmica primaria come unaradiazione γ, cioè radiazione elettromagnetica di altissima energia.



Rossi ad Arcetri in laboratorio a lavoro sui raggi cosmici.



Hans Geiger e Bruno Rossi a Tubinga nell’estate del 1930.Nell’estate del 1930, con una borsa procuratagli da Garbasso, Rossi prosegue i suoi esperimentiin Germania nel laboratorio di Bothe al Reichsanstalt di Berlino.



Una possibilità di risolvere la questio-ne (onda o particella?) viene propostada Rossi (1930-31), considerando l’e-ventuale azione del campo magneticoterrestre sulla radiazione primaria.

Se questa fosse costituita da parti-celle cariche, si dovrebbero osservaredue effetti: una diminuzione dell’inten-sità della radiazione avvicinandosi al-l’equatore magnetico ("effetto latitudi-ne"), e un’asimmetria della radiazionerispetto al meridiano magnetico ("effet-to est-ovest": maggiore intensità dellaradiazione da est nel caso di prevalen-za di particelle negative, o da ovest perparticelle positive). Bruno Rossi, Robert Millikan e Arthur Compton al

Convegno di Fisica Nucleare di Roma nel 1931.



Rossi stesso tenta subi-to una verifica sperimen-tale a Firenze nel 1931,ma invano.

In un articolo scritto conEnrico Fermi e pubblica-to nel 1933, interpretail risultato negativo sul-la base dell’assorbimen-to atmosferico: alla la-titudine di Firenze e allivello del mare non èpossibile trovare nessunaasimmetria. Bruno Rossi con Enrico Fermi al Convegno di Fisica Nucleare di Roma

nel 1931.




Bruno Benedetto Rossi 1932-1938: Padova

Padova (1932-1938)

1932: Rossi viene chiamato sulla cattedra di Fisica Sperimentale,introducendo la ricerca sperimentale sui raggi cosmici. Per Padova sitratta di un settore completamente nuovo (Giuseppe Vicentini, titolaredella cattedra di fisica sperimentale fino all’anno precedente, si eraessenzialmente dedicato allo studio dei raggi X e alla sismografia). Lelezioni e la ricerca in fisica si tenevano ancora al Palazzo del Bo, chetra l’altro ospitava dal XVIII secolo anche il Gabinetto di Fisica.

Ricerca: raggi cosmici e fisica delle particelle (inizia la costruzione diuna acceleratore da 1 milione di volt).

Didattica: forma una nuova generazione di giovani e valenti fisici (tragli altri Sergio De Benedetti, Ettore Pancini ed Eugenio Curiel).

Organizzazione: cura la costruzione dell’Istituto di fisica “GalileoGalilei”, attuale sede del Dipartimento, uno dei più avanzati dell’epocasia per concezione sia per strumentazione.


Bruno Benedetto Rossi 1933 - Padova: Spedizione ad Asmara

1933: spedizione Asmara (Eritrea).

Verifica dell’effetto latitudine: nel viag-gio in nave da Spalato a Massaua mi-sura una graduale diminuzione di in-tensità della radizione cosmica all’av-vicinarsi dell’equatore magnetico (giàosservato nel 1930 da Jacob Clay enel 1932 da Compton).

Verifica dell’effetto est-ovest (già os-servato, anche se con minor precisio-ne, da altri nel 1933, in particolareda Thomas Johnson e da Alvarez eCompton): 2370 m. sul livello del ma-re, latitudine geomagnetica di 11o30′

nord.


Bruno Benedetto Rossi 1933 - Padova: Spedizione ad Asmara

Sempre nella spedizione ad Asmara:

prima congettura dell’esistenza nellaradiazione secondaria di grandi scia-mi di particelle (sciami estesi) genera-ti nell’atmosfera, legate alla frequen-za di coincidenze tra contatori lontanitroppo elevata per essere dovuta soloa coincidenze casuali (confermata nel1939 da Pierre Auger e Roland Maze);

effetto anomalo di attenuazione deiraggi cosmici nel passaggio in atmo-sfera, che solo in seguito (dopo lascoperta del muone del 1937) ver-rà attribuito al decadimento in volo diparticelle.


Bruno Benedetto Rossi Padova: Il nuovo Istituto di Fisica a Padova












Bruno Benedetto Rossi Da Padova agli Stati Uniti

Aprile 1938: Bruno Rossi sposa Nora Lombroso, nipote del notoantropologo Cesare Lombroso.

Settembre 1938: Rossi viene privato della sua cattedra a causadelle infami leggi razziali.

“Sì, nel settembre del 1938 arrivano le leggi razziali, e ricevo queldocumento che conservo ancora in cui si dice che possono fare ameno di me all’università ”;

decidiamo, mia moglie Nora e io, di andarcene il più presto possibile ”.

Bruno Rossi, 1986



Ottobre 1938: i coniugi lasciano l’Italia per andare a Copenhagen.

Alla fine del 1938 a Manchester da Blackett dove lavora con Lajos(germanizzato in Ludwig) Janossy.

“mentre eravamo in Inghilterra, ricevetti una lettera di Compton che miinvitava a Chicago [...] Sebbene l’idea di lasciare l’Europa fossestraziante, decidemmo di partire per l’America”.

Bruno Rossi, 1986



Giugno 1939: da Arthur Compton all’Università di Chicago(spedizione al monte Evans, 4348 m.).

Autunno 1940: da Hans Bethe alla Cornell University di New York.

Nora e l’autobus allestito per trasportare l’apparato sperimentale, insieme a una tonnellata di piombo e grafite.



Compton mi aveva dato un assistente, Norman Hilberry, il quale eraorripilato dai miei metodi. Costruivo gli strumenti in modo moltosemplice, mettendo delle valvole termoioniche su una tavoletta dilegno e congiungendole a mano.

“In America le cose funzionano in modo molto diverso”, mi dicevaHilberry, “le mettiamo su strutture di metallo, le montiamo su deglichassis [...]”.

Dapprima ero seccato per questo modo di procedere, temevo che nonsaremmo mai riusciti a finire in tempo, poi presi una decisione: “Tu lofai col sistema americano e io lo faccio a modo mio”. E alla fineabbiamo adoperato il mio perché il suo non era ancora finito.

Bruno Rossi, 1986


Bruno Benedetto Rossi Los Alamos e il Progetto Manhattan

Estate 1943: Los Alamos dove dirige insieme a Hans Staub il“gruppo dei rivelatori”.

“L’invito a partecipare a Los Alamos mi era stato portato da HansBethe ai primi di luglio. Seguì un periodo di grande, penosaincertezza. Potevo facilmente immaginare quello che si stava facendoa Los Alamos, e rifuggivo dall’idea di partecipare allo sviluppo di unordigno così spaventoso come sarebbe stata la bomba atomica.D’altra parte ero terribilmente preoccupato, così come molti altri, dalpericolo che in Germania, dove era stata scoperta la fissione, si fossevicini a realizzare la bomba. Essendomi rassegnato al fatto che néaccettando né rifiutando la richiesta di Los Alamos potevo sottrarmi auna pesante responsabilità, vidi che la scelta non poteva esserebasata che sulla necessità di combattere l’immediato pericolo”.

Bruno Rossi, 1987


Bruno Benedetto Rossi Los Alamos e il Progetto Manhattan

Poco dopo l’esplosione [16 luglio 1945] partii per Los Alamos [...]. Con me inmacchina c’erano Benjamin Diven, Otto Frisch e una WAC [Corpo ausiliariofemminile dell’esercito]. [...] Uno dopo l’altro i miei passeggeri cadderoaddormentati, e così io venni lasciato solo con i miei pensieri. Fino ad allora,la pressione del lavoro era stata tale che non avevo avuto tempo di riflettere.Ora, il terribile significato di quanto avevamo fatto mi colpì in pieno. Debboconfessare che, di tanto in tanto, provavo una certa soddisfazione per averpartecipato, sia pure in piccola misura, a un’impresa così incredibilmentedifficile, di tale importanza storica. Ma questo sentimento veniva prestosopraffatto da un senso di colpa e da una terribile ansietà per le possibiliconseguenze del nostro lavoro. Sentimenti questi che vennero riacutizzatiquando, alcuni giorni dopo, seppi della distruzione di Hiroshima e diNagasaki. Io, come molti dei miei colleghi, avevamo sperato che la bombasarebbe stata usata in una dimostrazione incruenta, per indurre il Giapponealla resa.


Bruno Benedetto Rossi Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Autunno 1945: MIT di Boston.

Alle ricerche del gruppo Rossi inviterà a partecipare negli anni, perperiodi più o meno lunghi, giovani laureati o scienziati già affermatiprovenienti dall’Europa e dall’Asia, come Charles Peyrou, RaymondStora e Piero Bassi.

Si crea in tal modo una comunità cosmopolita nella quale nascerannodurature collaborazioni e relazioni internazionali.

Tre settori di ricerca: (1) la natura, l’origine e lo spettro di energia dellaradiazione primaria; (2) il modo in cui i raggi cosmici si propaganoattraverso l’atmosfera; (3) l’individuazione di quali nuove particellevengano prodotte nelle interazioni di alta energia dei raggi cosmici.



1953 - Conferenza Bagnères-de-Bigorre con Fermi e Bernardini.



1959 - a Mosca con Powell, Skobeltsyn, Shapiro e Janossy.



1985 - Con Occhialini a Milano.



7 dicembre 1992, Padova - Giorgio o Ruggero Rossi, Carlo Rubbia (l. ad h. matematica), JamesSerrin (l. ad h. matematica), Steven Weinberg (l. ad h. fisica)



... i momenti per me più entusiasmanti sono quelli in cuiun mio esperimento ha dato un risultato incompatibile

con le previsioni; una prova, questa, di quanto laricchezza della natura superi l’immaginazione dell’uomo.

Rossi, 1987



NOTE BIBLIOGRAFICHE

Bruno Rossi, L’enigma dei raggi cosmici, Montedison ProgettoCultura, Imago, Milano 1986 (riedizione Padova University Press,2012).

Bruno Rossi, Momenti nella vita di uno scienziato, Zanichelli,Bologna 1987.

Giulio Peruzzi, “Bruno Benedetto Rossi. Dal Colle di Galileo alMIT”, Il Colle di Galileo, vol. 4 (2015), p. 7-26.


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