Raggi gamma: 12 curiosità incredibili che sembrano fantascienza

I raggi gamma occupano la porzione a frequenza più alta dello spettro elettromagnetico. Rispetto alle radiazioni a lunghezza d’onda maggiore, come le microonde, le onde radio, l’infrarosso, la luce visibile e l’ultravioletto, i raggi gamma trasportano un’energia fotonica molto più elevata e interagiscono con la materia in modo diverso.

La scoperta della radiazione gamma risale al 1900, quando lo scienziato francese Paul Villard identificò un’emissione ignota e altamente penetrante proveniente dal radio [1]. Il fisico britannico Ernest Rutherford coniò il termine “raggi gamma” nel 1903 per indicare questa radiazione invisibile ma potente [2].

Ecco 12 fatti sorprendenti che gettano luce sulla scienza avvincente dei raggi gamma:

1. Un potere di penetrazione estremo

Una delle caratteristiche più incredibili dei raggi gamma è la loro pura capacità di penetrare la materia. La radiazione gamma ad alta energia può attraversare senza problemi materiali densi che bloccano facilmente altre forme di luce. Per esempio, i raggi gamma possono penetrare barriere di metalli duri come ferro e rame spesse oltre 20 centimetri.

Le normali pareti in cemento non rappresentano alcun ostacolo per i raggi gamma. Persino intere costruzioni non riescono ad attenuare in modo significativo fasci gamma intensi che le attraversano da un lato all’altro. Nelle condizioni giuste, sorgenti gamma potenti potrebbero impressionare una pellicola fotografica posta dall’altra parte di edifici di grandi dimensioni!

Questo notevole potere di penetrazione dipende dal modo in cui i raggi gamma interagiscono con la materia. I fotoni gamma si fanno strada attraverso la materia colpendo nuclei atomici o elettroni orbitali, trasferendo enormi quantità di energia a particelle di rinculo lanciate in avanti. Tuttavia, la probabilità che un singolo urto così violento catturi o assorba completamente il raggio gamma resta minima.

L’effetto cumulativo del deposito di energia consuma un raggio gamma fino al punto in cui viene catturato solo dopo molteplici eventi di diffusione. Di conseguenza, la maggior parte della radiazione gamma attraversa semplicemente i materiali in assenza di consistenti strati di schermatura densa. Solo un’alta densità di piombo o materiali pesanti simili può fermare in modo affidabile una radiazione gamma potente.

2. Chirurgia cerebrale senza bisturi

Grazie alla capacità della radiazione gamma di penetrare a fondo nei tessuti, i medici utilizzano oggi raggi gamma opportunamente calibrati per trattare specifiche malattie cerebrali. Fasci gamma incrociati concentrano una dose di radiazione eccezionalmente alta esattamente dove serve, riducendo al minimo gli effetti indesiderati. Questo permette alla “chirurgia Gamma Knife” di rimuovere efficacemente tumori e altre anomalie senza dover incidere fisicamente questo organo estremamente delicato.

201 fasci di raggi gamma sottili come una matita vengono concentrati sul punto desiderato da dispositivi estremamente complessi, colpendolo con una dose di radiazione elevata capace di uccidere il tessuto malato. Nel frattempo, le parti sane del cervello nelle vicinanze ricevono solo una frazione minima della radiazione.

Sviluppata negli anni ’50, la chirurgia Gamma Knife si è evoluta nel tempo fino a offrire una terapia non invasiva estremamente precisa per un organo in cui i bisturi tradizionali incontrano enormi difficoltà.

3. A caccia dei trasgressori dei trattati nucleari

Durante la Guerra Fredda, gli Stati Uniti lanciarono satelliti equipaggiati con rivelatori di raggi gamma per sorvegliare i test nucleari sovietici condotti in segreto. Questi veicoli spaziali erano in grado di rilevare intensi lampi di radiazione gamma provocati da esplosioni nucleari. Tuttavia, questi satelliti spia scoprirono qualcosa che i militari non si aspettavano di trovare: brevi e potenti lampi di raggi gamma provenienti da regioni di spazio apparentemente vuote! Gli scienziati stabilirono infine che questi segnali sconcertanti erano causati da esplosioni cosmiche estremamente intense e non da armamenti sovietici.

Tuttavia, prima che la vera origine fosse scoperta, questi inattesi rilevamenti gamma sembravano indicare molte più esplosioni nucleari di quelle riportate ufficialmente dai siti di test. Individuando le violazioni dei trattati sui test nucleari, il rilevamento della radiazione gamma dallo spazio dimostrò un’inattesa applicazione pratica per la sicurezza nazionale, oltre alle sue applicazioni astrofisiche fondamentali!

4. Stelle morte rotanti spazzano il cosmo con fasci gamma da faro

Una delle sorgenti celesti di raggi gamma sono le stelle di neutroni, i densi residui di stelle esaurite.

A causa dell’accrescimento di materia avvenuto in precedenza, alcune stelle di neutroni mantengono una rotazione incredibilmente rapida, ruotando centinaia di volte al secondo. Inoltre, i processi avvenuti nella nebulosa in cui la stella si è formata possono far sì che i poli magnetici della stella di neutroni appena nata risultino disallineati rispetto al suo asse di rotazione. Per effetto di queste condizioni, la stella di neutroni, ruotando, emette fasci conici di radiazione gamma verso l’esterno, come il fascio rotante di un faro.

Gli astronomi rilevano regolarmente impulsi accecanti di raggi gamma provenienti da questi oggetti quando uno di questi fasci attraversa la nostra linea di vista dalla Terra. Gli astrofisici hanno chiamato questi fari lampeggianti di luce ad alta energia “pulsar di raggi gamma”. Il periodo di rotazione di questi densi residui stellari viene misurato con precisione cronometrando le pulsazioni gamma. Alcune pulsar ruotano così rapidamente che la materia vicina al loro equatore si muove a una frazione considerevole della velocità della luce, dato un raggio tipico della stella di neutroni di circa 10 chilometri!

5. I temporali accelerano le particelle fino alle energie dei raggi gamma

Gli scienziati rimasero sconcertati nel 1994 quando la strumentazione del satellite Compton Gamma Ray Observatory registrò raffiche di fotoni ad alta energia che colpivano il veicolo spaziale provenienti dalla Terra, e non dallo spazio profondo!

I ricercatori rimasero perplessi finché non scoprirono che questi lampi gamma terrestri erano causati da nubi temporalesche elettrificate che persistono vicino alla sommità dei temporali. Ma come poteva un fenomeno meteorologico così violento produrre una radiazione tanto intensa? I ricercatori stabilirono che gli elevati potenziali elettrici presenti all’interno delle nubi temporalesche agiscono come acceleratori di particelle naturali.

I fulmini si formano grazie a raffiche di elettroni che attraversano l’atmosfera a una velocità prossima a quella della luce, generando scariche elettriche visibili. Meno noto è il fatto che enormi potenziali elettrici possono strappare elettroni dalle molecole dell’aria e accelerarli a velocità incredibili senza produrre un fulmine visibile. Questi elettroni veloci si scontrano poi con altri atomi, generando uno sciame di nuove particelle veloci e ulteriori collisioni elettrone-atomo.

Questo meccanismo a cascata alla fine accelera alcuni elettroni a energie così elevate che, quando collidono con i nuclei dell’aria, gli urti violenti disperdono la loro energia sotto forma di intensi lampi di raggi gamma! Di conseguenza, i cumulonembi funzionano come generatori astrofisici temporanei di raggi gamma, situati all’interno dell’atmosfera terrestre.

6. I raggi gamma permettono ai nuclei eccitati di “diseccitarsi”

I nuclei radioattivi che subiscono decadimenti alfa o beta non finiscono sempre nel loro stato di energia più basso. Il nucleo residuo rimane spesso, per un breve periodo, in quello che i fisici chiamano uno stato eccitato metastabile, dotato di energia in eccesso. Questi nuclei eccitati espellono rapidamente l’energia in eccesso per tornare al loro stato fondamentale. Qual è il meccanismo con cui un nucleo eccitato rilascia energia?

Un modo è emettere l’energia in eccesso come un pacchetto di onde elettromagnetiche ad alta energia noto come fotone gamma! Questa emissione di diseccitazione è simile al tuffo e agli schizzi visibili prodotti quando un tuffatore olimpionico dalla piattaforma entra in acqua dopo aver ruotato nell’aria in seguito a una manovra dal trampolino elevato. Lo schizzo indica che il tuffatore ha ceduto energia e ha raggiunto l’equilibrio in acqua. Le emissioni gamma nucleari, come il tuffatore, segnalano che i resti atomici eccitati stanno cedendo energia per rilassarsi nel loro stato stabile ideale, dopo un “tuffo” verso uno stato inferiore tramite decadimento alfa o beta.

7. Quando la materia incontra l’antimateria, restano solo i raggi gamma

Sebbene i fisici studino l’antimateria principalmente negli strumenti di rivelazione, come nel caso dei positroni, l’antimateria naturale esiste anche in specifiche regioni dello spazio. Di conseguenza, un normale elettrone negativo che viaggia nell’universo si imbatte occasionalmente nella sua antiparticella positiva. Quando gli opposti si attraggono e un elettrone collide con un positrone, si verifica un enorme lampo in cui le particelle originarie svaniscono e tutta la loro massa si trasforma in pura energia fotonica, secondo la celebre equazione di Einstein E=mc2!

Poiché l’elettrone e il positrone hanno ciascuno un’energia di massa di 0,5 MeV, la loro reciproca annichilazione produce due fotoni gamma, ciascuno con un’energia di 0,5 MeV, per conservare la materia in ingresso. Anche le esplosioni nucleari innescano questo tipo di annichilazione materia-antimateria, generando abbaglianti lampi di raggi gamma simili a fuochi d’artificio a partire dalle detonazioni delle armi.

8. La fonte nascosta del calore terrestre

Cosa permette alla Terra di mantenere mari di acqua liquida, nuvole e pioggia, elementi necessari per la vita? Il Sole, senza dubbio, guida questo ciclo idrologico riscaldando il nostro pianeta. Tuttavia, il processo nucleare che alimenta la nostra stella madre è a sua volta alimentato dalla radiazione gamma! Il nucleo del Sole brucia fondendo nuclei di idrogeno in elio più pesante, all’interno di un calderone di plasma a 15 milioni di gradi. Ogni evento di fusione protone-protone produce una particella gamma con un’energia di 0,511 MeV.

Alcuni di questi raggi gamma trasportano parte del calore direttamente verso la superficie solare. Nel frattempo, altri raggi gamma rimbalzano per milioni di anni, assorbendo energia dalle feroci esplosioni termonucleari che ribollono nel nucleo solare. Quando questi raggi gamma raggiungono gli strati esterni più freddi del Sole, hanno perso energia a sufficienza da spostarsi nella lunghezza d’onda della luce visibile. Di conseguenza, la luce solare che riscalda l’atmosfera terrestre, i mari e nutre la vita deriva dai raggi gamma prodotti dalla fusione nucleare nel nucleo del Sole!

9. Cosa c’è in un nome? L’eredità di Ernest Rutherford

Chi ha dato a questi raggi invisibili ma altamente penetranti, emessi dai composti radioattivi, il loro nome duraturo? Ernest Rutherford, scienziato pionieristico dei primi anni del XX secolo, creò il termine “raggi gamma” nel 1903. Rutherford osservò tre forme di emissioni dei materiali radioattivi. Le particelle alfa cariche avevano il raggio d’azione più piccolo ed erano facilmente deviate da campi elettrici o magnetici. I raggi beta penetravano più a fondo prima di essere assorbiti.

Ma una terza radiazione invisibile persisteva anche attraverso notevoli profondità di materiale, con una natura inizialmente avvolta nel mistero. Rutherford battezzò le emissioni più enigmatiche e apparentemente quasi immateriali “raggi gamma”, dalla terza lettera (Γ) dell’alfabeto greco. Oltre un decennio più tardi, ulteriori studi rivelarono che i raggi gamma costituiscono una forma di onde elettromagnetiche, le porzioni a frequenza ed energia più alte di quello spettro di radiazione più ampio. Studi moderni confermano che i fotoni gamma energetici dominano le emissioni dei prodotti di decadimento radioattivo lungo le lunghe serie di decadimento delle specie atomiche pesanti e instabili.

Anche se Rutherford non avrebbe potuto prevedere la ricerca moderna sui raggi gamma, utilizziamo ancora oggi la sua intuizione nel nominare la forma più penetrante di radiazione radioattiva.

10. Lampi di raggi gamma cosmici ed esplosivi

I fenomeni astronomici ad alta energia più abbaglianti e intriganti sono i lampi di raggi gamma (GRB), potenti bagliori che durano una frazione di secondo. Queste gigantesche esplosioni effimere, scoperte per la prima volta grazie alla sorveglianza satellitare delle armi nucleari negli anni ’60, rilasciano in una frazione di secondo tanta energia quanto diverse supernove messe insieme! Sembrano provenire da regioni casuali di spazio apparentemente vuote, senza galassie o caratteristiche particolari. Le distanze extragalattiche escludono spiegazioni legate a stelle di neutroni o buchi neri della nostra Via Lattea.

La loro brevità mette inoltre in discussione le teorie che li collegano alle supernove, visibili invece per mesi. I modelli sull’origine dei GRB comprendono la collisione di stelle di neutroni, l’evaporazione di buchi neri e fasci eruttivi di ipernove. Tuttavia, la scarsità di prove e i complessi effetti relativistici che circondano questi eventi rendono impossibile un’identificazione precisa. Il meccanismo scatenante che alimenta le esplosioni cosmiche più brillanti conosciute nell’universo resta avvolto nel mistero, e solo ulteriori studi sui raggi gamma di questi fenomeni catastrofici potranno forse un giorno spiegarlo.

11. Come catturare una luce che attraversa i rivelatori senza fermarsi

Provare a costruire telescopi in grado di monitorare la potente radiazione gamma, capace di penetrare la maggior parte dei materiali, sembrava a prima vista un’idea folle. Dopotutto, i raggi gamma a energia più alta attraversano quasi ogni sostanza solida, incluso un eventuale telescopio o rivelatore. Qual è dunque il segreto per catturare i lampi di fotoni gamma? L’approccio si basa sul fatto che, sebbene sia improbabile che un raggio gamma resti bloccato all’interno di un singolo elemento del rivelatore, esso a volte collide e trasferisce un’enorme quantità di energia a particelle di rinculo come gli elettroni.

Per questo, i rivelatori di raggi gamma catturano lo spruzzo di particelle intense dello “sciame secondario” prodotto quando un raro impatto gamma diretto scuote le particelle all’interno del sensore. Costruire volumi di rivelazione porosi con spessori che massimizzano le probabili interazioni gamma consente un’efficienza di raccolta ragionevole. Il passaggio o il deposito di energia di questi sciami di particelle secondarie viene registrato da vari sensori.

Gli scintillatori rilevano i lampi di luce visibile o ultravioletta prodotti da questi urti gamma.

I film a semiconduttore funzionano come calorimetri di particelle, sommando le cariche di segnale generate dagli elettroni prodotti per stimare l’energia dei raggi gamma incidenti che innescano queste cascate di particelle secondarie.

12. I raggi gamma illuminano i segreti del mondo subatomico

Indagare i misteri sulla natura stessa della materia, così come la ricerca di una fisica oltre l’attuale Modello Standard, richiede di osservare il comportamento di particelle subatomiche esotiche. Inseguire particelle ipotetiche come la materia oscura o manifestazioni della gravità quantistica significa cercare le loro interazioni caratteristiche tra i detriti delle collisioni tra particelle. Ma molte particelle speculative come i neutralini o i gravitoni non interagiscono con sufficiente intensità da poter essere rilevate direttamente con facilità. Fortunatamente, seguire schemi inusuali di emissione gamma offre un percorso osservativo alternativo.

Quando decadono, le particelle esotiche instabili emettono spesso radiazione gamma che corrisponde a specifici attributi teorizzati per quella particella. Gli esperimenti di fisica delle alte energie analizzano i detriti in cerca di questi indizi di emissione gamma verso una fisica ancora mancante. Anche le comuni particelle instabili emettono energie gamma caratteristiche al momento del decadimento, permettendo la loro identificazione. Allo stesso modo, la ricerca di nuova fisica, come la supersimmetria, tenta di confrontare i gamma misurati con quelli previsti da particelle speculative proposte ma non ancora scoperte. Mentre i raggi gamma pervadono le distese cosmiche, le loro visioni potrebbero rivelare le verità più nascoste del mondo quantistico!

Conclusione

I raggi gamma emettono un’energia invisibile e potente che pervade il nostro cosmo, dal decadimento radioattivo ai cataclismi cosmici. Sebbene la loro profonda capacità di penetrazione renda difficile la rilevazione diretta, l’inventiva osservativa sulla Terra e nello spazio ci ha aperto gli occhi sui processi gamma che avvengono in tutto l’universo e sul nostro pianeta. L’uso intelligente della radiazione gamma migliora l’assistenza medica, potenzia le infrastrutture industriali e permette di indagare i fondamenti della fisica. In futuro sono previste altre scoperte sorprendenti sui raggi gamma e sul loro ruolo nelle esplosioni stellari, nell’accrescimento dei buchi neri, nella fisica della materia oscura, nella gravità quantistica e in altri misteri cosmici. Il futuro appare promettente per svelare ulteriori segreti dei raggi gamma nascosti dietro le meraviglie del nostro universo.

Riferimenti

• [1] P. Villard, C. R. Acad. Sci. Paris 130, 1010 (1900)
• [2] E. Rutherford, Radioactive Transformations (Charles Scribner’s Sons, New York, 1906)