Quante particelle cosmiche attraversano il nostro corpo ogni secondo?
Ogni istante della nostra vita siamo attraversati da qualcosa che non possiamo vedere, sentire né percepire: particelle provenienti dallo spazio che raggiungono continuamente la Terra e, in alcuni casi, attraversano persino il nostro corpo. L’atmosfera terrestre rappresenta una straordinaria barriera naturale contro gran parte delle radiazioni cosmiche, ma non è uno scudo assoluto. Alcune particelle riescono a penetrare fino alla superficie, mentre altre vengono trasformate dalle collisioni con le molecole dell’aria in una cascata di nuove particelle. Il risultato è sorprendente: il nostro corpo è immerso in un flusso cosmico permanente, anche se nulla di tutto questo è percepibile dai nostri sensi.
Quanti neutrini attraversano il corpo ogni secondo?
Le particelle più numerose che ci attraversano sono i neutrini, spesso definiti dagli scienziati “particelle fantasma” per la loro straordinaria capacità di attraversare la materia quasi senza interagire con essa. Secondo le stime della fisica delle particelle, circa 100.000 miliardi di neutrini attraversano ogni essere umano ogni secondo. È una quantità difficile persino da immaginare: in ogni istante, un numero enorme di queste particelle passa attraverso la pelle, gli organi, le ossa e il resto del corpo senza lasciare praticamente alcuna traccia.
La ragione di questa apparente “invisibilità” è nelle caratteristiche stesse dei neutrini. Non possiedono una carica elettrica e hanno una massa estremamente piccola, fattori che rendono molto improbabile una collisione con gli atomi della materia ordinaria. La stragrande maggioranza dei neutrini che ci attraversano prosegue il proprio viaggio attraverso la Terra come se il pianeta non esistesse. La materia, per loro, è quasi trasparente.
Da dove arrivano tutte queste particelle invisibili?
La fonte principale dei neutrini che attraversano quotidianamente il nostro corpo è molto più vicina di quanto si possa pensare: il Sole. Nel cuore della nostra stella avvengono continuamente reazioni di fusione nucleare che producono enormi quantità di neutrini. Queste particelle attraversano il Sole, viaggiano nello spazio e raggiungono la Terra, passando attraverso la nostra atmosfera e il nostro corpo.
Non tutti i neutrini, però, hanno origine nel Sistema Solare. Una parte arriva da fenomeni molto più remoti e violenti, come esplosioni di supernovae, regioni che circondano buchi neri supermassicci e altri potenti acceleratori cosmici. Alcuni di questi messaggeri attraversano distanze immense prima di arrivare fino a noi, conservando informazioni sulle condizioni estreme degli ambienti nei quali sono stati prodotti.
E i raggi cosmici, quante particelle producono?
I neutrini non sono gli unici visitatori extraterrestri che raggiungono continuamente la Terra. Il pianeta viene bombardato anche dai raggi cosmici, particelle dotate di carica elettrica e caratterizzate da energie elevatissime, che viaggiano spesso a velocità prossime a quella della luce e arrivano da ogni direzione.
I raggi cosmici sono costituiti soprattutto da protoni e nuclei atomici più pesanti, come quelli dell’elio e del ferro. Una piccola parte è invece composta da elettroni e positroni, le corrispondenti particelle di antimateria. La loro origine può essere legata a diversi fenomeni astrofisici estremamente energetici, comprese le supernovae, l’attività nelle vicinanze dei buchi neri e le collisioni tra galassie.
Quando una di queste particelle ad alta energia entra nell’atmosfera terrestre, spesso non arriva direttamente al suolo. L’impatto con le molecole dell’aria produce una cascata di particelle secondarie, che possono propagarsi verso la superficie e raggiungere anche noi.
Quanti muoni attraversano il nostro corpo?
Tra le particelle secondarie prodotte dai raggi cosmici, un ruolo importante è svolto dai muoni, particelle cariche simili agli elettroni ma con una massa superiore di oltre 200 volte. A livello del mare, mediamente attraversa una superficie di un centimetro quadrato circa un muone ogni minuto. Rapportando questo fenomeno alle dimensioni del corpo umano, significa che decine o addirittura centinaia di muoni possono attraversare una persona ogni secondo.
La situazione diventa ancora più interessante osservando una parte del corpo molto più piccola. Una mano, per esempio, può essere attraversata indicativamente da uno o due muoni ogni secondo. A differenza dei neutrini, i muoni possiedono una carica elettrica e interagiscono più facilmente con la materia. Proprio per questo possono essere osservati e studiati anche attraverso strumenti relativamente particolari, come le camere a nebbia, nelle quali il passaggio di una particella carica può lasciare una traccia visibile.
Come fanno gli scienziati a sapere quante particelle ci attraversano?
La domanda sembra quasi impossibile da verificare direttamente. Se centinaia di migliaia di miliardi di neutrini passano attraverso il corpo ogni secondo e quasi nessuno interagisce con i nostri atomi, come possiamo sapere che ci sono davvero?
La risposta arriva dai grandi rivelatori di particelle costruiti in luoghi estremi. Uno degli esempi più spettacolari è l’IceCube Neutrino Observatory, realizzato nel ghiaccio dell’Antartide. L’esperimento utilizza migliaia di sensori distribuiti in circa un chilometro cubo di ghiaccio. Quando, molto raramente, un neutrino interagisce con un nucleo atomico presente nel ghiaccio, può generare particelle cariche che producono un debolissimo lampo di luce blu, chiamato luce Cherenkov.
Analizzando posizione, intensità e distribuzione di questi lampi, i ricercatori possono ricostruire informazioni sulla direzione e sull’energia della particella. Da un numero limitato di interazioni è quindi possibile risalire, attraverso modelli fisici e statistici, al gigantesco flusso di neutrini che attraversa la materia. È un po’ come cercare di stimare quanti pesci vivano in un fiume osservando soltanto quelli che finiscono in una rete: conoscendo dimensioni della rete, tempo di osservazione e probabilità di cattura, si può ricostruire la popolazione complessiva.
Quante volte un neutrino interagisce davvero con il nostro corpo?
Qui emerge uno degli aspetti più sorprendenti del fenomeno. Sebbene circa 100.000 miliardi di neutrini attraversino il nostro corpo ogni secondo, la probabilità che uno di loro interagisca effettivamente con un atomo del nostro organismo è estremamente bassa. Per un essere umano, nell’arco di un’intera vita, ci si aspetta non più di una singola interazione, forse poche.
Non c’è quindi motivo di considerare questi neutrini un pericolo per la salute. L’energia depositata da un’interazione occasionale è talmente piccola da rendere il fenomeno irrilevante dal punto di vista biologico. Molto diversa è la questione dei raggi cosmici e delle particelle secondarie, soprattutto quando ci si trova ad alta quota.
I raggi cosmici sono pericolosi per la salute?
A livello del suolo, l’esposizione alla radiazione cosmica è generalmente modesta. Per una persona media, il contributo della radiazione cosmica è di circa 0,4 millisievert all’anno, rispetto a una dose complessiva di fondo naturale di circa 2,4 millisievert annui proveniente da tutte le fonti naturali. La quantità varia in funzione dell’altitudine, della latitudine e della schermatura.
L’esposizione aumenta, per esempio, durante i voli aerei, perché a quote elevate l’atmosfera offre una protezione minore. In queste condizioni diventano più rilevanti anche altre particelle secondarie, compresi i neutroni. Nella vita quotidiana, tuttavia, i muoni e le altre particelle cosmiche che raggiungono il livello del suolo non rappresentano generalmente un rischio sanitario significativo. La vita sulla Terra è stata esposta a questo incessante bombardamento cosmico per miliardi di anni.
Perché queste particelle sono così importanti per la scienza?
Il flusso di particelle cosmiche non è soltanto una curiosità sulla natura dell’universo. I ricercatori hanno imparato a trasformarlo in uno strumento scientifico. I muoni, per esempio, possono attraversare strutture molto dense e sono stati utilizzati per individuare spazi nascosti all’interno di monumenti, comprese alcune piramidi. I neutrini, invece, offrono una finestra ancora più particolare sull’universo.
Poiché interagiscono debolmente con la materia, i neutrini possono uscire da regioni estremamente dense dalle quali la luce difficilmente riesce a sfuggire. Studiare i neutrini ad alta energia significa quindi poter osservare indirettamente alcuni degli ambienti più violenti del cosmo, come quelli che circondano i buchi neri o quelli associati alle esplosioni stellari e agli acceleratori cosmici naturali.
Ogni secondo, dunque, il nostro corpo diventa involontariamente un punto di passaggio per un numero enorme di particelle provenienti dall’universo: circa 100.000 miliardi di neutrini e decine o centinaia di muoni, accompagnati da una quantità molto più piccola di altre particelle generate dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera. Non ce ne accorgiamo, ma questo flusso incessante racconta qualcosa di profondo sulla nostra posizione nel cosmo: non siamo separati dall’universo che osserviamo, ma ne facciamo fisicamente parte, attraversati continuamente da particelle che possono aver viaggiato per distanze immense e provenire da eventi accaduti molto prima della comparsa dell’essere umano.