Troppi pochi muoni!

[Gipeto]

Vi segnalo questo bell'articolo sulle scienze:
http://www.lescienze.it/news/2016/11/10/news/eccesso_muoni_interazione_raggi_cosmici_atmosfera_ lhc-3306239/

che parla di un recente lavoro pubblicato dalla mia collaborazione: grazie allo studio dei raggi cosmici di altissima energia, le particelle più energetiche dell'universo per quel che ne sappiamo, si è scoperto che c'è qualcosa che non torna nelle interazioni alle alte energie (più alte di quelle raggiungibili da LHC) perché negli sciami di particelle che questi raggi cosmici creano entrando nell'atmosfera ci sono molti più muoni (i fratelli "grassi" degli elettroni ;) ) di quanto non ci si aspetta.

Se vi interessa l'argomento, posso rispondere a tutte le vostre domande ;)

[Red Hanuman]

Interessante... Più muoni vuol dire particelle più energetiche. Alcune domande a seguire.
Potrebbe esserci una fonte di qualche tipo vicino nei pressi del sistema solare?
Oppure le particelle già presenti sono accelerate da qualche fenomeno locale?
Potrebbe esserci qualche legame col ciclo solare (nel 2000 picco di muoni in prossimità del primo picco del ciclo 23 [novembre 2001], nel 2015 in prossimità del secondo picco del ciclo 24 [aprile 2014])?

[Gipeto]

Scusa il ritardo nella risposta:

In realtà più muoni non significa particelle più energetiche... mi spiego meglio:

i raggi cosmici che arrivano sono quelli che sono e ne riusciamo a calcolare più o meno adeguatamente (diciamo con circa il 15-20% di errore) l'energia.
Per vederli sfruttiamo il fatto che quando arrivano impattano sull'atmosfera creando uno sciame di particelle (raggi cosmici secondari) che sono poi gli unici che vediamo a terra. Uno sciame generato da un raggio cosmico di energia altissima può contenere decine di milardi di particelle e una buona percentuale è formata da muoni (la gran parte è invece composta da elettroni, anti-elettroni e fotoni di alta energia).

Ora se vogliamo prevedere quante particelle secondarie e di che energia ci aspettiamo in questo sciame possiamo simularlo: si simula la prima interazione, si calcola quante particelle dovrebbe creare, si calcola queste particelle quanto viaggiano prima di interagire a loro volta con l'atmosfera e quante particelle producono e così via... coi moderni computer è un processo sempre lungo ma non proibitivo (per uno sciame di altissima energia ci si mette una mezz'ora circa a fare una simulazione completa).

Questo è stato fatto e tutte le simulazioni dicono che negli sciami ci dovrebbero essere molti meno muoni di quelli che invece osserviamo negli sciami reali. Questo non inficia la nostra stima dell'energia del raggio cosmico iniziale nè le informazioni sulla sua direzione d'arrivo, quindi a livello prettamente "astrofisico" non cambia molto il quadro (ricordo che allo stato attuale non sappiamo ancora quali siano gli oggetti responsabili dell'accelerazione di particelle ad energie così alte). Cambia molto invece a livello della fisica delle particelle: le interazioni con l'atmosfera avvengono infatti ad energie molto ma molto più alte di quelle raggiungibili dagli acceleratori e quindi si tratta di zone "inesplorate". Le simulazioni di cui sopra sono fatte estrapolando ad alta energia i dati forniti dagli acceleratori più potenti (allo stato attuale, LHC) ma evidentemente oltre la scala di energia di LHC deve succedere qualcosa di ignoto perché queste estrapolazioni falliscono nel riprodurre esattamente quello che si osserva negli sciami.

Ci potrebbero ovviamente essere altre spiegazioni, ad esempio che questi raggi cosmici non siano particelle "normali" (protoni o nuclei fino al ferro) ma qualcosa di "esotico" e per questo producano più muoni all'impatto con l'atmosfera, ma sono opzioni molto improbabili perché richiedono ulteriori spiegazioni (da dove arrivano? perché non ne vediamo a più bassa energia? Come si sono create? ) quando invece immaginare che in un range di energia mai indagato avvengano cose ignote è molto più semplice e naturale ;)

[Gaetano M.]

Ci potrebbero ovviamente essere altre spiegazioni, ad esempio che questi raggi cosmici non siano particelle "normali" (protoni o nuclei fino al ferro) ma qualcosa di "esotico" e per questo producano più muoni all'impatto con l'atmosfera, ma sono opzioni molto improbabili perché richiedono ulteriori spiegazioni (da dove arrivano? perché non ne vediamo a più bassa energia? Come si sono create? ) quando invece immaginare che in un range di energia mai indagato avvengano cose ignote è molto più semplice e naturale ;)

Sembra sia difficile intercettare la particella che dà inizio alla cascata prima dell'impatto con l'atmosfera, in questo caso non ci sarebbe bisogno di immaginare. Interessante che le energie in gioco superino quelle realizzate nell'LHC.

[Gipeto]

Sembra sia difficile intercettare la particella che dà inizio alla cascata prima dell'impatto con l'atmosfera, in questo caso non ci sarebbe bisogno di immaginare. Interessante che le energie in gioco superino quelle realizzate nell'LHC.

Alle altissime energie arriva meno di un raggio cosmico per km^2 per secolo... riusciamo a vederle grazie al fatto di avere un enorme rivelatore che è l'atmosfera, ma per vedere i primari direttamente bisognerebbe mandare in orbita degli enormi rivelatori di migliaia di km^2... ed è abbastanza impossibile ;)