Vedere l’invisibile attraverso una camera a nebbia

Vedere l’invisibile attraverso una camera a nebbia

Vicino a Ginevra c’è un immenso laboratorio di fisica delle particelle, il CERN, dove, con apparati grandi quanto palazzi, si osservano atomi, protoni, elettroni e tante altre particelle piccolissime, che vengono prodotte da un acceleratore circolare di 27 km, che si muovono velocissime, a velocità molto maggiori di quelle a cui siamo abituati in Formula 1.
Ma non bisogna per forza arrivare fin lì per essere circondati di particelle e non bisogna avere apparati giganteschi e costosissimi per poterle osservare.
Dallo spazio, infatti, arrivano sulla terra moltissimi “raggi cosmici”, particelle subatomiche molto energetiche che bombardano la Terra da tutte le direzioni. Per vederli possiamo costruire un vero e proprio rivelatore di particelle, chiamato “camera a nebbia”. Prima di prendere colla e forbici, però, soffermiamoci un attimo sul principio di funzionamento dell’oggetto che andremo a costruire.
Potete immaginare la camera a nebbia come una scatola trasparente sigillata, con dentro un gas trasparente. Con la giusta luminosità, al suo interno potrete vedere delle scie di microgocce che appaiono e, dopo poco, scompaiono: sono le tracce lasciate dal passaggio delle particelle! All’interno del contenitore, infatti, è presente un gas supersaturo, ovvero un gas a concentrazione, temperatura e pressione tali per cui dovrebbe iniziare a condensare. Questa condizione è instabile e, quando una particella attraversa il gas, l’energia piccolissima che perde lungo il percorso fa sì che il gas lì intorno condensi e si trasformi in minuscole goccioline, che poi cadono sparendo in pochi istanti.
Quindi, a voler essere precisi, con questo (e tutti gli altri) rivelatori di particelle noi non vediamo veramente le particelle come potremmo fare con una cellula al microscopio, ma possiamo seguire il loro percorso e, già da come si muovono, possiamo capire in molti casi di che particella si tratta. Ci sono poi altri tipi di rivelatori che consentono di ricavare altre informazioni, come la loro energia, il tempo che ci mettono a percorrere un certo spazio, la carica elettrica… e dall’insieme di tutti questi dati, i fisici sono in grado di ricostruire che cosa è successo.

Proviamo a costruire una camera a nebbia

Cercate un contenitore trasparente non troppo grande, di circa 2-3 litri di capienza: può essere una piccola vasca per pesci, una coppa da cucina o uno di quei contenitori in plastica per riporre oggetti. Pulite l’interno con un panno senza utilizzare detergenti o acqua. Dal fioraio procuratevi una spugnetta verde per fiori di plastica, le cui dimensioni siano circa la base del vostro recipiente (anche un po’ più piccola va bene) e l’altezza circa 5 cm. Fissatelo sul fondo del contenitore con del silicone o qualche goccia di colla. Una volta che è asciutto, usando una siringa, riempite la spugna con circa 150 ml di alcool isopropilico: deve essere ben imbevuta, ma gocce d’alcool non devono cadere quando lo capovolgete. L’alcool isopropilico deve essere puro al 90% minimo e, di solito, è usato come detergente industriale, perciò lo si può trovare in officine elettroniche, centri di riparazione smartphone, negozi di antiquariato, oppure su internet.
Adesso costruiamo la base del rivelatore utilizzando, per esempio, una teglia di alluminio usa e getta che, ovviamente, deve essere più grande del contenitore che avete scelto. Potete usare dello scotch isolante per chiudere tutto ermeticamente. Il più, ormai, è fatto: bisogna solo rendere l’alcool contenuto nella spugna un gas supersaturo. Per farlo dobbiamo abbassare notevolmente la temperatura. In una seconda teglia di alluminio poniamo uno strato di ghiaccio secco, che potete trovare su internet, in qualche gelateria ben fornita o nei laboratori di analisi cliniche. Per questo passaggio, è necessario fare molta attenzione: il ghiaccio secco, infatti, va maneggiato con appositi guanti e occhiali protettivi perché può causare ustioni a contatto con la pelle. Infine, mettete la vostra camera a nebbia sul ghiaccio secco, con il lato a cui avete attaccato la spugna in alto.
Dopo una decina di minuti dovreste osservare una leggera nebbiolina sul fondo scuro della camera: è il segnale che è pronta! Per osservare le tracce dei raggi cosmici, mettete la camera in un ambiente buio (o coprite voi e la camera con una coperta), mettete un cartoncino nero da un lato e colpite dall’altro lato la camera con una torcia.

Avvertenze. Il ghiaccio secco perde circa 15% del suo peso al giorno, a causa della sua sublimazione. Stoccare il ghiaccio secco in un contenitore isolato rallenta il processo. Attenzione però a non tenere il ghiaccio secco in un contenitore completamente ermetico, in quanto la sublimazione in gas di anidride carbonica provoca l’espansione e la possibilità di “esplosione”. Non conservatelo neanche nel freezer: la sua temperatura troppo bassa ne può causare lo spegnimento. L’ideale è tenerlo, fino al momento del suo utilizzo, nelle scatole di polistirolo in cui vi verrà recapitato.

FARE SCIENZA
Che cosa stiamo guardando?


Se la traccia che vedete è lunga, dritta e sottile si tratta di un muone! È uno dei raggi cosmici più comuni e fa parte della famiglia dei leptoni: particelle che non sono fatte, a loro volta, da altre particelle, ma sono “un pezzo unico”, almeno per quanto ne sappiamo oggi.
Se invece vedete una traccia più corta, che fa un po’ zig zag, si tratta di un elettrone. È un leptone anche lui, più leggero del muone, ed è lo stesso che gira intorno al nucleo degli atomi.
Infine, se vedete delle tracce ancora più corte, di circa 1.5 cm di lunghezza, e molto più doppie, si tratta di particelle alpha, costituite da due protoni e due neutroni.


Credits foto in apertura: Costruzione di una camera a nebbia per il progetto “Art&Science Across Italy” (https://artandscience.infn.it)


PER APPROFONDIRE
https://www.asimmetrie.it/particelle-nella-nebbia
https://lab2go.roma1.infn.it/doku.php?id=fisica:esperimenti_a_casa:camera_a_nebbia

ALTRE IMMAGINI:
https://cds.cern.ch/record/2809280
https://cds.cern.ch/record/2869463?ln=it

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