Bruno Benedetto Rossi ( 13 de abril de 1905 - 21 de noviembre de 1993) fue un físico experimental italoestadounidense . Hizo importantes contribuciones a la física de partículas y al estudio de los rayos cósmicos . Se graduó en 1927 en la Universidad de Bolonia y se interesó en los rayos cósmicos. Para estudiarlos, inventó un circuito electrónico de coincidencia mejorado y viajó a Eritrea para realizar experimentos que demostraron que la intensidad de los rayos cósmicos provenientes de Occidente era significativamente mayor que la de Oriente.
Obligado a emigrar en octubre de 1938 debido a las leyes raciales italianas , Rossi se trasladó a Dinamarca, donde trabajó con Niels Bohr . Luego se trasladó a Gran Bretaña, donde trabajó con Patrick Blackett en la Universidad de Manchester . Finalmente se fue a los Estados Unidos, donde trabajó con Enrico Fermi en la Universidad de Chicago , y más tarde en la Universidad de Cornell . Rossi se quedó en los Estados Unidos, y se convirtió en ciudadano estadounidense.
Durante la Segunda Guerra Mundial , Rossi trabajó en el radar del Laboratorio de Radiación del MIT y desempeñó un papel fundamental en el Proyecto Manhattan , al frente del grupo del Laboratorio de Los Álamos que llevó a cabo los experimentos RaLa . Después de la guerra, fue reclutado por Jerrold Zacharias en el MIT, donde Rossi continuó su investigación previa a la guerra sobre los rayos cósmicos.
En la década de 1960, fue pionero en la astronomía de rayos X y la física del plasma espacial . Su instrumentación en el Explorer 10 detectó la magnetopausa e inició los experimentos con cohetes que descubrieron Scorpius X-1 , la primera fuente extrasolar de rayos X.
Rossi nació en una familia judía en Venecia , Italia . Fue el mayor de los tres hijos de Rino Rossi y Lina Minerbi. Su padre era un ingeniero eléctrico, que participó en la electrificación de Venecia. Rossi fue tutor en casa hasta la edad de catorce años, después de lo cual asistió al Ginnasio y al Liceo de Venecia. [1] Después de comenzar sus estudios universitarios en la Universidad de Padua , realizó trabajos avanzados en la Universidad de Bolonia , donde recibió una Laurea en Física en 1927. [2] Su asesor de tesis fue Quirino Majorana , [3] quien era un conocido experimentalista y tío del físico Ettore Majorana . [4]
En 1928, Rossi comenzó su carrera en la Universidad de Florencia , como asistente de Antonio Garbasso , quien había fundado el Instituto de Física de la Universidad en 1920. [5] Estaba ubicado en Arcetri , en una colina con vista a la ciudad. Cuando Rossi llegó, Garbasso era Podestà de Florencia, designado por el gobierno fascista de Benito Mussolini en Italia. [6] Sin embargo, trajo al Instituto un grupo de físicos brillantes que incluía a Enrico Fermi y Franco Rasetti antes de que se mudaran a Roma , así como Gilberto Bernardini, Enrico Persico y Giulio Racah . [5] En 1929, el primer estudiante de posgrado de Rossi, Giuseppe Occhialini , recibió el título de doctor. [1]
En busca de una investigación pionera, Rossi dirigió su atención a los rayos cósmicos , que habían sido descubiertos por Victor Hess en vuelos en globo tripulados en 1911 y 1912. En 1929, Rossi leyó el artículo de Walther Bothe y Werner Kolhörster , que describía su descubrimiento de partículas cargadas de rayos cósmicos que penetraban 4,1 centímetros (1,6 pulgadas) de oro. [7] Esto fue asombroso, ya que las partículas cargadas más penetrantes conocidas en ese momento eran los electrones de la desintegración radiactiva , que podían penetrar menos de un milímetro de oro. En palabras de Rossi,
Llegó como un destello de luz que me reveló la existencia de un mundo insospechado, lleno de misterios, que nadie había empezado a explorar aún. Pronto se convirtió en mi ambición irresistible participar en la exploración. [8]
En 1954, Bothe recibió el Premio Nobel de Física "por el método de coincidencia y sus descubrimientos realizados con él" por un método de evaluación de eventos coincidentes que implementó antes de 1924. Sin embargo, su implementación de este método fue muy engorrosa, ya que implicaba la correlación visual de pulsos fotografiados. A las pocas semanas de leer su artículo con Kolhörster, Rossi inventó un circuito electrónico de coincidencia mejorado , que hacía uso de tubos de vacío de triodo . [9] El circuito de coincidencia de Rossi tiene dos ventajas principales: ofrece una resolución temporal muy precisa y puede detectar coincidencias entre cualquier número de fuentes de pulsos. Estas características permiten identificar eventos interesantes que producen pulsos coincidentes en varios contadores. Estos eventos raros se destacan incluso en presencia de altas tasas de pulsos de fondo no relacionados en los contadores individuales. El circuito no sólo proporcionó la base para la instrumentación electrónica en física nuclear y de partículas, sino que también implementó el primer circuito electrónico AND , que es un elemento fundamental de la lógica digital que es omnipresente en la electrónica moderna . [1] [10]
En esa época, una versión tubular mejorada del contador Geiger original , inventado por Hans Geiger en 1908, acababa de ser desarrollada por su alumno Walther Müller . Estos tubos Geiger-Müller (tubos o contadores GM) hicieron posible las investigaciones de Bothe. Con la ayuda de Occhialini en la construcción de los tubos GM, y con la ayuda de un circuito de coincidencia práctico, Rossi confirmó y amplió los resultados de Bothe, quien lo invitó a visitar Berlín en el verano de 1930. Allí, con el apoyo financiero organizado por Garbasso, Rossi colaboró en investigaciones posteriores sobre la penetración de los rayos cósmicos. También estudió la descripción matemática de Carl Størmer de las trayectorias de las partículas cargadas en el campo magnético de la Tierra . [11] Sobre la base de estos estudios, se dio cuenta de que la intensidad de los rayos cósmicos provenientes de direcciones este podría ser diferente de la de los que se dirigen hacia el oeste. Desde Berlín, presentó el primer artículo que sugería que las observaciones de este efecto este-oeste no sólo podrían confirmar que los rayos cósmicos son partículas cargadas, sino también determinar el signo de su carga. [12]
En el otoño de 1931, Fermi y Orso Mario Corbino organizaron en Roma una conferencia internacional sobre física nuclear , patrocinada por la Real Academia de Italia . Fermi invitó a Rossi a dar una charla introductoria sobre los rayos cósmicos. Entre el público se encontraban Robert Millikan y Arthur Compton , ambos ganadores del premio Nobel de Física en 1923 y 1927, respectivamente. [1] Durante la década de 1920, Millikan, famoso por su experimento de la gota de aceite , realizó extensas mediciones de la misteriosa radiación descubierta por Hess. Acuñó el nombre de «rayos cósmicos» y propuso que eran fotones creados por la fusión del hidrógeno en el espacio interestelar. No le agradó la presentación de pruebas de que la mayoría de los rayos cósmicos observados son partículas cargadas energéticas. Más tarde, Rossi escribió:
Millikan claramente se sintió resentido por el hecho de que un joven cualquiera hiciera trizas su adorada teoría, tanto que desde ese momento se negó a reconocer mi existencia. (En retrospectiva, debo admitir que podría haber sido más diplomático en mi presentación.) [13]
Compton, famoso por el efecto Compton , tuvo una reacción más positiva, pues más tarde le dijo a Rossi que la charla lo había motivado a comenzar su propia investigación sobre los rayos cósmicos. [13]
Inmediatamente después de la conferencia de Roma, Rossi llevó a cabo dos experimentos que condujeron a un avance significativo en la comprensión de los rayos cósmicos. Ambos implicaban triples coincidencias de pulsos de tres contadores Geiger; pero en el primero, los contadores estaban alineados y separados por bloques de plomo, mientras que en el segundo, estaban colocados en una configuración triangular de modo que los tres no pudieran ser atravesados por una sola partícula que viajara en línea recta. Los resultados de la primera configuración demostraron la existencia de partículas de rayos cósmicos capaces de penetrar un metro (3 pies 3 pulgadas) de plomo. [14]
Con la segunda configuración encerrada en una caja de plomo, los resultados mostraron que algunos rayos cósmicos interactúan en el plomo para producir múltiples partículas secundarias. En una extensión del segundo experimento, midió la tasa de coincidencias triples en función de la cantidad de plomo sobre los contadores. Un gráfico de esta tasa en función del espesor, que llegó a conocerse como la curva de Rossi, mostró un rápido aumento a medida que aumentaba la capa de plomo, seguido de un lento descenso. [15] Estos experimentos mostraron que los rayos cósmicos a nivel del suelo constan de dos componentes: un componente "blando" que es capaz de generar prolíficamente múltiples eventos de partículas, y un componente "duro" que es capaz de atravesar grandes espesores de plomo. En ese momento, la naturaleza física de ambos era un misterio, ya que aún no encajaban en el creciente cuerpo de conocimientos sobre física nuclear y de partículas. [1] [16]
A finales de 1931, Rossi hizo arreglos para que Occhialini trabajara en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge con Patrick Blackett , a quien había conocido en Berlín. [17] Con la ayuda de la nueva técnica de coincidencia electrónica, Occhialini ayudó a Blackett a desarrollar la primera cámara de nubes contracontrolada , con la que confirmaron el descubrimiento del positrón de Carl Anderson [18] y dedujeron que los electrones positivos se producen en asociación con los negativos por producción de pares . [19] Se observaron hasta 23 electrones positivos y negativos en algunos eventos, que estaban claramente relacionados con las lluvias de componentes suaves de Rossi. [20]
En 1932, Rossi ganó un concurso para un puesto académico en una universidad italiana y fue nombrado profesor de física experimental en la Universidad de Padua. Poco después de su llegada, el rector le pidió que supervisara el diseño y la construcción del nuevo Instituto de Física de Padua. Aunque esta tarea distrajo su atención de la investigación y la enseñanza, aceptó de buen grado y el instituto abrió sus puertas en 1937. [21]
A pesar de esta distracción, Rossi pudo completar, en 1933, un experimento sobre el efecto este-oeste que había comenzado antes de abandonar Arcetri. Como este efecto es más prominente cerca del ecuador, organizó una expedición a Asmara en Eritrea , que entonces era una colonia italiana en el Mar Rojo a una latitud de 15° N. [22] Con Sergio De Benedetti, [23] instaló un "telescopio de rayos cósmicos", que consistía en dos contadores GM separados en coincidencia, cuyo eje de máxima sensibilidad podía apuntar en cualquier dirección. Pronto se hizo evidente que la intensidad de los rayos cósmicos desde el oeste era significativamente mayor que la de los del este. Esto significaba que había una mayor afluencia de partículas primarias positivas que de negativas. En ese momento, este resultado fue sorprendente, porque la mayoría de los investigadores tenían la idea preconcebida de que las primarias serían electrones negativos. [1]
En el momento en que Rossi abandonó Eritrea, recibió noticias de dos observaciones de un efecto este-oeste similar. Estas fueron publicadas en la Physical Review . Una fue realizada por Thomas H. Johnson, [24] y la otra por Compton y su estudiante, Luis Álvarez , quienes informaron observaciones en la Ciudad de México , donde la latitud es 19° N. [25] Debido a que otros habían llevado a cabo la primera explotación experimental de su importante idea de 1930, Rossi se sintió decepcionado, pero publicó sus resultados inmediatamente después de regresar a Padua. [26] Más tarde, con Frederick C. Chromey, Álvarez y Rossi patentaron un "Dispositivo de Determinación Vertical", que hacía uso de telescopios de rayos cósmicos. [27]
En Eritrea, Rossi descubrió otro fenómeno que se convertiría en un tema principal de su investigación sobre rayos cósmicos después de la guerra: las extensas lluvias de rayos cósmicos en el aire . El descubrimiento se produjo durante las pruebas para determinar la tasa de coincidencias accidentales entre los contadores Geiger de su detector. Para asegurarse de que ninguna partícula pudiera activar los contadores, los distribuyó en un plano horizontal. En esta configuración, la frecuencia de coincidencias era mayor que la calculada sobre la base de las tasas individuales y el tiempo de resolución del circuito de coincidencias. Rossi concluyó que:
...de vez en cuando el aparato de registro es alcanzado por lluvias de partículas muy extensas, que provocan coincidencias entre contadores, incluso colocados a grandes distancias unos de otros. [1]
En 1937, Rossi conoció a Nora Lombroso, hija de Ugo Lombroso, profesor de fisiología en la Universidad de Palermo , y de Silvia Forti. Su abuelo era el reconocido médico y criminólogo Cesare Lombroso , y sus tías, Gina Lombroso y Paola Lombroso Carrara, eran reconocidas escritoras y educadoras italianas. En abril de 1938, Bruno y Nora se casaron y establecieron una familia en Padua. [1] [28]
Aunque Rossi evitó la política, algunos de sus colaboradores eran oponentes activos del estado fascista . Por ejemplo, fue mentor de Eugenio Curiel , quien se convirtió en miembro del Partido Comunista mientras completaba una licenciatura en Padua. Más tarde, en 1943, Curiel se unió a la resistencia en Milán y, en 1945, fue asesinado por soldados de la República de Saló , un estado títere alemán . De manera similar, Ettore Pancini, quien recibió su laurea bajo Rossi en 1938, pasó los años de guerra alternando entre la investigación de rayos cósmicos y la participación activa en los movimientos de resistencia italianos de Padua y Venecia. [29]
Debido a estas asociaciones, y debido a que ambos Rossi eran judíos , se sintieron aprensivos a medida que el antisemitismo en Italia crecía bajo la influencia de la Alemania nazi . Finalmente, como resultado de las leyes antijudías resultantes del Manifiesto de la Raza , Rossi fue despedido de su cátedra. [30] En sus palabras:
Finalmente, en septiembre de 1938, me enteré de que ya no era ciudadano de mi país y que, en Italia, mi actividad como profesor y científico había llegado a su fin. [31]
Con este revés, [32] Rossi inició una fase importante de su carrera. Resumió este período en una autobiografía: "La desintegración de los 'mesotrones' (1939-1943): Física experimental de partículas en la era de la inocencia", que presentó en un simposio en el Fermilab en 1980. [33] El 12 de octubre de 1938, los Rossi partieron hacia Copenhague , donde el físico danés Niels Bohr lo había invitado a estudiar. La pareja no tenía intención de regresar a Italia, y Bohr facilitó la búsqueda de Rossi de un puesto más seguro patrocinando una conferencia a la que asistieron físicos destacados. Esperaba que uno de ellos le encontrara trabajo a Rossi, y pronto, Rossi recibió una invitación para ir a la Universidad de Manchester , donde Blackett estaba desarrollando un importante centro de investigación de rayos cósmicos. Después de dos agradables meses en Dinamarca, Rossi y Nora llegaron a Manchester . [34]
La estancia de Rossi en Manchester fue breve, pero productiva. En esa época ya se disponía de una comprensión clara del componente blando. En 1934, Hans Bethe y Walter Heitler publicaron una descripción cuantitativa [35] no sólo de la producción de pares electrón-positrón por fotones energéticos, sino también de la producción de fotones por electrones y positrones energéticos . [36] En Manchester, Rossi colaboró con Ludwig Jánossy en un experimento que demostró la exactitud de la teoría de Bethe-Heitler del segundo proceso, que aún no había sido confirmada por completo. [37] Este experimento también introdujo la técnica de la anti-coincidencia , que se ha convertido en una característica omnipresente de los instrumentos para detectar y analizar partículas energéticas. [1]
En ese momento, las observaciones en cámaras de niebla habían aclarado la naturaleza del componente duro. En 1936, Anderson y su estudiante, Seth Neddermeyer , descubrieron partículas de rayos cósmicos con masa intermedia entre las del electrón y el protón, [38] a las que Anderson llamó "mesotrones". El mesotrón posteriormente pasó a ser conocido como el "mesón μ", [39] que se acortó a " muón ". [1] Justo antes de la conferencia de Copenhague, Blackett sugirió que las variaciones observadas de la intensidad de los rayos cósmicos con la temperatura atmosférica podrían ser una indicación de que los mesotrones son inestables, [40] y mantuvo intensas discusiones con Rossi sobre este tema. Como resultado, Rossi se fue de Manchester decidido a confirmar su desintegración y a medir su vida útil. [33]
Con la guerra acercándose a Europa, Blackett y otros aconsejaron a Rossi que abandonara Gran Bretaña. En consecuencia, escribió a Compton, quien lo invitó a asistir a un simposio de verano en Chicago y le insinuó que podría haber un trabajo disponible. En junio de 1939, los Rossi navegaron hacia Nueva York , donde fueron recibidos por Fermi y su esposa Laura , que también habían abandonado Italia debido a las leyes raciales. Después de una breve reunión con los Fermi, Bethe les ofreció a los Rossi un viaje a Chicago. Aceptaron agradecidos y llegaron a la Universidad de Chicago a mediados de junio de 1939. [41]
Inmediatamente después de que una sesión de simposio sobre la inestabilidad del mesotrón llegara al consenso de que se necesitaban observaciones más definitivas, Rossi y Compton comenzaron a planificar un experimento. Debido a que la intensidad del componente duro aumenta con la altitud, mientras que la densidad del aire disminuye, Compton sugirió que las investigaciones se llevaran a cabo en el Monte Blue Sky en Colorado , donde había trabajado a principios de la década de 1930, y donde el acceso a un sitio de investigación a 4310 metros (14 140 pies) de altitud es proporcionado por el Mount Blue Sky Scenic Byway , la carretera pavimentada más alta de América del Norte. Instó a Rossi a comenzar una serie de experimentos ese verano, antes de que la nieve bloqueara la carretera, y para ayudar, reclutó a dos de sus amigos, Norman Hillberry y J. Barton Hoag, [42] [43] y un estudiante, Winston Bostick . Rossi y sus ayudantes ensamblaron apresuradamente el equipo y lo cargaron en un autobús destartalado que Compton tomó prestado del departamento de zoología. [33]
En ese momento, se sabía que el principal proceso por el cual los mesotrones pierden energía es la pérdida de energía de ionización, que se describe mediante la fórmula de Bethe , y es proporcional a la masa por unidad de área de la capa de material atravesada. Si este fuera el único proceso, la intensidad del componente duro que pasa a través de una capa de material sólido disminuiría en la misma cantidad que en una capa equivalente de aire. Rossi y sus colaboradores descubrieron que la disminución era significativamente mayor en la atmósfera que en una capa correspondiente de carbono sólido. Debido a que la distancia recorrida en el aire era mucho mayor que en el carbono, interpretaron este resultado como evidencia de la desintegración del mesotrón y, teniendo en cuenta el efecto de la dilatación del tiempo relativista , estimaron su vida media en reposo en aproximadamente 2 microsegundos. [44]
El verano siguiente, Rossi regresó al Monte Evans, donde realizó experimentos cerca del lago Echo , a una altitud de 3.230 metros (10.600 pies). Con el uso de técnicas anti-coincidencia, el aparato hizo posible medir el camino libre medio antes de la desintegración de dos grupos de mesotrones con diferente momento medio. Los resultados, publicados con David B. Hall, no sólo confirmaron la proporcionalidad entre el momento de la partícula y el camino libre medio de los mesotrones antes de la desintegración que se espera sobre la base de la teoría de la relatividad , sino que también presentaron una estimación mejorada de la vida útil en reposo: (2,4 ± 0,3) microsegundos. [45] Estos resultados y los del año anterior no sólo fueron los primeros en demostrar definitivamente que los mesotrones son inestables, sino también la primera confirmación experimental de la dilatación del tiempo de los relojes en movimiento predicha por la teoría de la relatividad. [1]
En Chicago, el puesto de Rossi como investigador asociado no era permanente y Compton no pudo conseguirle uno mejor. En consecuencia, comenzó una búsqueda de trabajo, durante la cual impartió un seminario en la Universidad de Cornell , donde coincidentemente, la muerte había creado una vacante en el departamento de física. Después de que Bethe sugiriera que se debería invitar a Rossi a ocupar este puesto, fue nombrado profesor asociado en Cornell. En el otoño de 1940, después de regresar a Chicago desde Colorado, los Rossi se fueron a Ithaca . [46]
En Cornell, Rossi conoció a su primer estudiante de posgrado estadounidense, Kenneth Greisen , con quien escribió un artículo, "Teoría de rayos cósmicos", que se publicó en Reviews of Modern Physics [47] y se hizo conocido entre los investigadores de rayos cósmicos como "La Biblia". [48] Durante el verano de 1941, Greisen y físicos de Denver y Boulder acompañaron a Rossi al Monte Evans, donde refinaron el conocimiento de la proporcionalidad entre el momento del mesotrón y la vida útil antes de la desintegración. [49] Greisen y Rossi también llevaron a cabo experimentos que demostraron, en términos de procesos documentados en la "Biblia", que no todas las partículas del componente blando podían ser producidas por mesotrones del componente duro. Interpretaron esto como evidencia de electrones primarios o fotones, [50] pero se hizo evidente más tarde que el exceso blando surge de la desintegración de piones neutros . [1]
Después de la expedición de 1941 a Colorado, Rossi decidió que la cuestión de si los mesotrones se desintegraban había sido respondida. Sin embargo, no estaba satisfecho con la precisión con la que se había determinado la vida útil, ya que las estimaciones existentes dependían de la masa del mesotrón, que no se conocía con precisión. Para realizar una medición más directa, diseñó un aparato para medir el intervalo de tiempo entre la llegada de un mesotrón a un absorbedor, donde se detenía, y la emisión de un electrón cuando el mesotrón se desintegraba. Para ayudar, obtuvo la ayuda del estudiante de posgrado Norris Nereson. En el centro de su experimento, estaba un "cronómetro", que era un circuito electrónico que producía un pulso cuya altura era exactamente proporcional al intervalo de tiempo, y que podía registrarse fotografiando una traza de osciloscopio . [51]
Este fue el primer convertidor de tiempo a amplitud , otra de las contribuciones de Rossi a las técnicas electrónicas de la física experimental. Con absorbentes de plomo y latón, se representó gráficamente el número de desintegraciones en función del tiempo. Estas curvas de desintegración tenían la misma forma exponencial que las de las sustancias radiactivas ordinarias , y dieron una vida media de 2,3 ± 0,2 microsegundos, [52] que luego se refinó a 2,15 ± 0,07 microsegundos. [53] Después de la guerra, Rossi descubrió que sus colegas italianos, Marcello Conversi y Oreste Piccioni , habían realizado experimentos muy similares al suyo y habían medido una vida útil consistente con su resultado. [54] [55]
Al recordar lo que llamó la "Era de la Inocencia", Rossi escribió:
¿Cómo es posible que se pudieran lograr resultados relacionados con problemas fundamentales de la física de partículas elementales mediante experimentos de una simplicidad casi infantil, que costaran sólo unos pocos miles de dólares y requirieran únicamente la ayuda de uno o dos estudiantes de posgrado? [33]
Una vez finalizado su trabajo sobre mesotrones, Rossi centró su atención en el esfuerzo bélico. En 1942, mientras viajaba de Ítaca a Cambridge (Massachusetts) , se convirtió en consultor sobre desarrollo de radares en el Laboratorio de Radiación del Instituto Tecnológico de Massachusetts . Allí, junto con Greisen, inventó un "circuito de seguimiento de distancia", que fue patentado después de la guerra. [56]
A principios de julio de 1943, Bethe invitó a Rossi a unirse al Proyecto Manhattan . En menos de un mes, se presentó a trabajar en el Laboratorio de Los Álamos . Unas semanas después, Nora y su hija de tres años, Florence, se unieron a Rossi en Los Álamos, Nuevo México . El director del laboratorio, Robert Oppenheimer , le pidió a Rossi que formara un grupo para desarrollar los instrumentos de diagnóstico necesarios para crear la bomba atómica. [57] Pronto se dio cuenta de que ya existía un grupo con una misión similar encabezado por el físico suizo Hans H. Staub. Los dos decidieron fusionar sus esfuerzos en un solo "Grupo de Detectores". Fueron asistidos por aproximadamente veinte jóvenes investigadores, [58] incluyendo a Matthew Sands , un "mago de la electrónica", que más tarde obtuvo un doctorado bajo la dirección de Rossi, y David B. Nicodemus , a quien Staub trajo de la Universidad de Stanford , que era un experto en detectores de partículas. [59]
El desarrollo de bombas requirió grandes detectores de radiación ionizante, cuya respuesta es proporcional a la energía liberada en el detector y sigue cambios rápidos en la intensidad de la radiación. Desde las primeras investigaciones sobre radiactividad , la radiación se había medido en términos de ionización , pero las cámaras de ionización existentes eran lentas en responder a los cambios. Para abordar este problema, Rossi y Staub llevaron a cabo un análisis cuidadoso de los pulsos que resultan cuando partículas cargadas individuales crean iones dentro de una cámara de ionización. [60] Se dieron cuenta de que la alta movilidad de los electrones libres eliminados de los átomos ionizados significa que los pulsos producidos por partículas individuales pueden ser muy breves. Con James S. Allen, Rossi encontró mezclas de gases de alta movilidad de electrones y baja adhesión de electrones . [61] Sobre la base de estas investigaciones, Allen y Rossi inventaron la "cámara de ionización rápida", que patentaron después de la guerra. [62] Fue un factor crucial en el éxito del Proyecto Manhattan y se usó ampliamente en la investigación de posguerra sobre física de partículas. [58]
En abril de 1944, el proyecto Manhattan entró en crisis cuando el grupo de Emilio Segrè descubrió que el plutonio fabricado en reactores no funcionaría en un arma de plutonio de tipo cañón como el « Thin Man ». En respuesta, Oppenheimer reorganizó por completo el laboratorio para centrarse en el desarrollo de un arma de tipo implosión . [63]
Rossi fue reclutado para implementar un método para probar varios diseños de armas hasta llegar a uno que produjera una implosión esférica simétrica precisa. [64] Las pruebas midieron los cambios en la absorción de rayos gamma en una esfera de metal a medida que se sometía a una compresión implosiva. [65] Los rayos gamma fueron emitidos por una pastilla del radioisótopo de vida corta Lantano-140 colocado en el centro de la esfera. El término experimento RaLa es una contracción de Lantano radioactivo . A medida que avanzaba la compresión, el rápido aumento de la absorción se detectó como una disminución de la intensidad de los rayos gamma registrada fuera del conjunto. [66]
Los experimentos de RaLa revelaron muchos obstáculos en el camino hacia una implosión exitosa. [65] Para comprender los chorros problemáticos que plagaron los primeros diseños de implosión, fueron necesarios otros métodos de prueba, pero los experimentos de RaLa desempeñaron un papel principal en el diseño de lentes explosivas . En su historia del proyecto Los Álamos, David Hawkins escribió: "RaLa se convirtió en el experimento individual más importante que afectó al diseño final de la bomba". [67]
El 16 de julio de 1945, un dispositivo de plutonio de tipo implosión fue detonado en el sitio Trinity cerca de Alamogordo, Nuevo México . El nombre en código de este dispositivo era " The Gadget ", y su diseño era muy similar al arma Fat Man que fue lanzada sobre Nagasaki veinticuatro días después. [68]
En preparación para Trinity, Rossi diseñó instrumentación para registrar la radiación gamma durante la reacción en cadena, cuya duración se esperaba que fuera de aproximadamente 10 nanosegundos. Las observaciones en esta escala de tiempo estaban casi fuera del estado de la técnica en 1945, pero Rossi diseñó y construyó una gran cámara de ionización cilíndrica cuya velocidad de respuesta era adecuada porque sus electrodos coaxiales estaban separados por un estrecho espacio de solo 1 centímetro (0,39 pulgadas). [68]
Para registrar la señal, instaló un osciloscopio muy rápido, proporcionado como prototipo por los Laboratorios DuMont , en un búnker subterráneo a varios cientos de pies del Gadget, donde fue fotografiado. Para llevar la señal al osciloscopio, ideó una línea de transmisión coaxial de gran tamaño , cuyo conductor interno se hacía más pequeño a medida que iba de la cámara al osciloscopio. Debido a que esta configuración mejoraba la señal que llegaba al osciloscopio, no hubo necesidad de amplificación. Para confirmar este sorprendente comportamiento, Rossi consultó con el profesor de Harvard Edward Purcell . [68] [69]
Unos días después de la prueba, Rossi entró en el cuarto oscuro con Fermi y, antes de que la película recién revelada se secara, pudieron calcular la tasa de crecimiento inicial de la actividad nuclear, que era una información crucial para el desarrollo de armas futuras. De los tres intentos de medir esta tasa en Trinity, el de Rossi fue el único que tuvo un éxito total. [70]
Con el éxito del Proyecto Manhattan y del Laboratorio de Radiación, el MIT entró en una nueva era de " gran ciencia " financiada por el gobierno de los EE. UU. [71] La expansión del MIT en física nuclear fue encabezada por Jerrold R. Zacharias , quien fue a Los Álamos a finales de la guerra y reclutó a Viki Weisskopf y Rossi como profesores del MIT. [72] Rossi dejó Los Álamos para ir a Cambridge el 6 de febrero de 1946. [73]
Dentro del nuevo Laboratorio de Ciencias Nucleares , dirigido por Zacharias, Rossi fue delegado para crear un grupo de investigación de rayos cósmicos en el MIT. Para ayudar, reclutó a cuatro jóvenes científicos que habían estado en Los Álamos como candidatos a doctorado: Herbert Bridge, Matthew Sands, Robert Thompson y Robert Williams. Dos que habían estado en el Laboratorio de Radiación también vinieron a trabajar con él: John Tinlot y Robert Hulsizer. Los seis eran más maduros que los estudiantes de posgrado típicos, ya que tenían varios años de experiencia en investigación en tiempos de guerra. En consecuencia, se les pagó un estipendio similar al de un investigador postdoctoral , que fue financiado por la Oficina de Investigación Naval y les permitió mantener a sus familias durante sus estudios de posgrado. [74]
Para esta nueva etapa de su actividad, Rossi ha realizado un cambio fundamental de enfoque. En sus palabras:
En mi nuevo puesto, mi actividad sería muy distinta a la de años anteriores. Entonces, trabajando solo o, como mucho, con la ayuda de unos pocos estudiantes, construiría los instrumentos, los llevaría al lugar donde debían utilizarse, haría las mediciones y analizaría los resultados. Ahora, tenía la responsabilidad de todo un grupo, y lo que importaba no era mi propio trabajo, sino el trabajo del grupo. Mi tarea era identificar los programas de investigación más prometedores entre los que estaban a nuestro alcance, ayudar donde fuera necesario en la planificación de la instrumentación o en la evaluación de los resultados experimentales, todo ello sin desincentivar la iniciativa individual de los investigadores. [75]
Con el descubrimiento del pión en 1947, la búsqueda de nuevas partículas elementales se convirtió en un tema de investigación popular. [76] Al operar cámaras de ionización rápida dentro de una cámara de nubes, Herbert demostró que las ráfagas de ionización que registraban eran producidas principalmente por rayos cósmicos de energía relativamente baja, cuyas interacciones nucleares típicamente implican la expulsión de varios fragmentos nucleares fuertemente ionizantes . Sobre la base de este efecto, él y Rossi demostraron que el comportamiento de estas interacciones es similar al de las lluvias penetrantes. [77] [78]
El grupo de Rossi se centró en el uso de cámaras de niebla para estudiar sus propiedades e interacciones. En 1948, con la ayuda de una cámara de niebla de múltiples placas en la que se alternaban placas de plomo con otras de aluminio, Gregory, Rossi y Tinlot demostraron que la fuente del componente electromagnético de las interacciones de los rayos cósmicos eran predominantemente fotones energéticos, en lugar de electrones. [79] Este resultado confirmó la sugerencia de Oppenheimer de 1947 de que los piones neutros se producen en las interacciones, junto con los cargados, y que este componente surge de su rápida desintegración en fotones. [80]
Para estudiar las nuevas partículas elementales, Bridge y Martin Annis operaron una gran cámara de nubes rectangular de múltiples placas en Echo Lake. [81] Esta investigación proporcionó la base para una tesis de doctorado de 1951 de Annis, supervisada por Rossi. El año siguiente, estos autores, con otro estudiante de Rossi, Stanislaw Olbert, [82] mostraron cómo derivar información sobre las energías de las partículas a partir de mediciones de su dispersión múltiple . Esto agregó otra forma de usar cámaras de nubes para medir las propiedades de las partículas elementales. [83] A principios de 1953, con Bridge, Richard Safford y Charles Peyrou, Rossi publicó los resultados de un estudio integral en cámara de nubes de las partículas elementales que se conocieron como kaones . [84] Peyrou era un visitante de la École Polytechnique , donde había obtenido un valor preciso de la masa del muón en 1947, [85] y Safford era estudiante de Rossi. [84]
En 1952 se había descubierto un desconcertante "zoológico" de partículas elementales, con diversas masas, esquemas de desintegración, nomenclatura y fiabilidad de identificación. Para abordar esta situación, Blackett y Leprince-Ringuet organizaron una Conferencia Internacional sobre Rayos Cósmicos en Bagnères-de-Bigorre en 1953. [86] Según James Cronin , "esta conferencia puede situarse en la misma categoría de importancia que otras dos conferencias famosas, el congreso Solvay de 1927 y la Conferencia de Shelter Island de 1948". [87]
Leprince-Ringuet le pidió a Rossi que hiciera un resumen de la nueva información presentada en la conferencia y que propusiera una nomenclatura para las nuevas partículas. Antes de la conferencia, en respuesta a esta última tarea, Rossi hizo circular una sugerencia de que las partículas con una masa menor que la de un neutrón se designaran con letras griegas minúsculas y las de mayor masa se designaran con letras griegas mayúsculas. En su charla, del 11 de julio de 1953, informó que los resultados de la conferencia, que había recopilado con la ayuda de Powell y Fretter, [88] eran coherentes con este esquema, que se utilizó comúnmente después. [87]
Un momento destacado fue la declaración de Leprince-Ringuet en su discurso de clausura: "... en el futuro debemos utilizar aceleradores de partículas". Con el Cosmotron de 3 GeV ya en funcionamiento en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , esta declaración reflejó un consenso entre los participantes. [87] Como resultado, el grupo de Rossi comenzó a reducir sus experimentos en cámaras de nubes. Sin embargo, en 1954, Bridge, Hans Courant, Herbert DeStaebler, Jr. y Rossi informaron sobre un evento inusual en el que una partícula con una sola carga que se detenía se desintegró en tres fotones cuyas energías sumaban más que la energía en reposo del protón. Esta es la firma de una aniquilación de antiprotones . [89] [90] El año siguiente, un grupo dirigido por Owen Chamberlain y Emilio Segrè detectó antiprotones, [91] por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1960. [92]
En el momento de la conferencia de Bagnères-de-Bigorre, Rossi ya había centrado su atención en las implicaciones astrofísicas de los fenómenos de rayos cósmicos, en particular las extensas lluvias de partículas en el aire. Después de que Rossi reconociera, en Eritrea, que estos eventos existían, fueron estudiados extensamente por Pierre Auger , [93] y por Williams. [94] En ese momento, la respuesta extremadamente rápida de los contadores de centelleo recientemente desarrollados ofreció una nueva forma de estudiar la estructura de las lluvias de partículas en el aire. Para ello, Rossi reclutó a su estudiante, George W. Clark , que completó un doctorado en 1952, y a Piero Bassi, que era un visitante de la Universidad de Padua. Debido a que no se disponía de material centelleante sólido, decidieron utilizar terfenilo disuelto en bencina , que es un centelleador líquido eficiente . Con la ayuda de tres contadores desplegados en el techo del edificio de Física del MIT durante el invierno de 1952/53, descubrieron que las partículas de la lluvia llegaban a sólo uno o dos metros de un disco que viajaba casi a la velocidad de la luz en la dirección del eje de la lluvia. [95]
Este resultado demostró que los contadores de centelleo no sólo pueden determinar los tiempos de llegada de los discos de la lluvia de partículas a muchos detectores distribuidos en un área grande, sino también estimar la cantidad de partículas que impactan en cada detector. Estas capacidades combinan el método de "tiempo rápido" para determinar las direcciones de llegada de la lluvia de partículas con el método de muestreo de densidad para determinar su tamaño y la ubicación de sus ejes. [96]
Con este progreso, el grupo de Rossi comenzó un importante experimento que podía medir tanto las energías primarias como las direcciones de llegada de extensas lluvias de aire. Participaron en este esfuerzo: George Clark, William Kraushaar, [97] John Linsley , James Earl y Frank Scherb. Kraushaar llegó al MIT desde Cornell en 1949, después de obtener su doctorado con Kenneth Greisen. Con el apoyo del profesor Donald Menzel , que era director del Observatorio de la Universidad de Harvard , el grupo de Rossi desplegó quince centelleadores líquidos, de un área de 1 metro cuadrado (11 pies cuadrados) en los terrenos boscosos de la estación Agassiz del observatorio . Las señales se llevaron por cables a una cabaña Quonset , donde se mostraron en quince oscilógrafos y se registraron fotográficamente. [96]
Poco después de que el experimento comenzara a registrar los datos de la lluvia, un rayo encendió el líquido inflamable de uno de los contadores. Los bomberos locales extinguieron rápidamente el fuego resultante antes de que se extendiera a los árboles cercanos, que estaban empapados con agua de lluvia. Debido a que los árboles desempeñaban un papel esencial en la supresión de la convección atmosférica que degradaría las observaciones telescópicas, Harvard y el MIT llevaron a cabo tensas negociaciones, hasta que se instaló un elaborado sistema de protección contra incendios y se permitió que el experimento se reanudara. [96] Para eliminar la amenaza del fuego, Clark, Frank Scherb y William B. Smith crearon una "fábrica" que producía discos centelleadores de plástico no inflamables, cuyo grosor era de 10 centímetros (3,9 pulgadas) y cuyo diámetro era de aproximadamente 1 metro (3 pies 3 pulgadas). [98]
Después de cambiar al plástico a finales de la primavera de 1956, el experimento continuó de forma continua. Sus hallazgos se publicaron en Nature [99] y Physical Review . [100] Rossi resumió los resultados más importantes de la siguiente manera:
- Una medición precisa de la densidad de las partículas de la lluvia en función de la distancia desde el centro de la lluvia.
- Una medida del espectro de energía de las partículas primarias responsables de las lluvias de 10 15 electronvoltios a 10 18 electronvoltios.
- La prueba de que estas partículas llegan en números prácticamente iguales desde todas las direcciones.
- La observación de una partícula con una energía cercana a 10 19 electronvoltios. [101]
Cuando el experimento de Agassiz llegó a su fin, el grupo se dio cuenta de que se necesitaban observaciones cerca del ecuador y en el hemisferio sur para ampliar su conclusión de que las direcciones de llegada de las lluvias de aire son casi isotrópicas. En consecuencia, Clark, en colaboración con Vikram Sarabhai , realizó su experimento más pequeño en Kodaikanal , India, a una latitud de 10° N, y confirmó la ausencia de anisotropías. [102] Más tarde, por sugerencia de Ismael Escobar, [103] el equipo de Agassiz se trasladó a El Alto a 4200 metros en el altiplano boliviano a 16° S. Aquí, Clark, Escobar y Juan Hersil no encontraron anisotropías, pero demostraron que la estructura de las lluvias de aire en su máximo desarrollo es diferente de la que se produce a nivel del mar. [104]
La energía máxima de una partícula registrada por el experimento de Agassiz, 10 19 electronvoltios, está cerca de energías más allá de las cuales las partículas cargadas no pueden ser confinadas al disco galáctico por campos magnéticos interestelares típicos de 10 −5 gauss . Se necesita un conjunto de detectores de dimensiones muy grandes para detectar lluvias de estas energías. John Linsley aceptó asumir la responsabilidad de construir dicho conjunto. [96] Llegó al MIT en 1954 desde la Universidad de Minnesota , donde completó un doctorado con Edward P. Ney . Pronto, se le unió Livio Scarsi, a quien Rossi había reclutado del grupo de Occhialini en la Universidad de Milán . [105]
Como no había disponible una extensión de terreno abierto lo suficientemente grande cerca de Boston, el conjunto se construyó en una propiedad semidesértica conocida como Volcano Ranch , a unas 16 millas (26 km) al oeste de Albuquerque, Nuevo México , a una altitud de 1.770 metros (5.810 pies). Durante 1957 y 1958, Linsley y Scarsi desplegaron 19 contadores de centelleo, que utilizaban discos de plástico fluorescente similares a los de los detectores de Agassiz, excepto que cada contador incorporaba cuatro discos vistos por cuatro fotomultiplicadores. Inicialmente, el área del conjunto era de 2,5*10 6 m 2 , que se puede comparar con los 10 5 m 2 de Agassiz , pero en 1960, después de que Scarsi hubiera regresado a Milán , Linsley extendió los detectores sobre un área de 10 7 m 2 . [96]
Los resultados del experimento Volcano Ranch mostraron que la intensidad de los rayos cósmicos disminuye suavemente con energías de 10 17 - 10 18 electronvoltios. [106] y que las primarias en este rango llegan isotrópicamente. [107] De particular importancia fue la detección de una sola partícula cuya energía de 10 20 electronvoltios es mayor que el máximo que podría estar contenido en el disco galáctico por los campos magnéticos galácticos. [108] Las partículas de estas energías solo pueden originarse en el halo galáctico o más allá de la galaxia , y su existencia no es consistente con el límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin . [109]
El 4 de octubre de 1957, la Unión Soviética lanzó el primer satélite artificial de la Tierra , el Sputnik 1. Este evento inició la crisis del Sputnik , una "ola de casi histeria" [110] entre un público estadounidense sorprendido. [110] En respuesta, el gobierno de los EE. UU. aumentó la financiación de la National Science Foundation y, en 1958, creó tanto la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) como la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada , que pasó a llamarse Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) en 1972. [111] El 4 de junio de 1958, dos días después de que se introdujera la legislación que creaba la NASA, Detlev W. Bronk , presidente de la Academia Nacional de Ciencias , se reunió con los jefes de estas tres agencias para crear un nuevo organismo asesor, el Consejo de Ciencia Espacial, para brindar asesoramiento para la expansión de la investigación espacial y asegurarse de que se enfatizara adecuadamente la financiación de la ciencia fundamental. [112]
El Comité se reunió por primera vez el 27 de junio de 1958. Solo cuatro miembros ya estaban involucrados en la investigación espacial: Rossi, Leo Goldberg , John Simpson y James Van Allen . [112] Rossi formó un subcomité que incluía a Thomas Gold , Philip Morrison y el biólogo Salvador Luria , quienes estuvieron de acuerdo en que las investigaciones del plasma en el espacio interplanetario serían deseables. En consecuencia, Rossi decidió dirigir los esfuerzos de su grupo hacia su estudio. [113] Con Herbert Bridge, Rossi diseñó y probó una sonda de plasma basada en la clásica copa de Faraday . Sin embargo, para mejorar la respuesta del instrumento a los protones cargados positivamente y para suprimir su respuesta a los fotoelectrones producidos por la luz solar, se desplegaron cuatro rejillas dentro de la copa. Una innovación clave fue un voltaje modulador aplicado a una de las rejillas, que convertía la señal en una corriente alterna , proporcional al flujo de protones y no contaminada por ninguna contribución de fotoelectrones. [114]
Después de un intenso cabildeo ante Homer Newell , subdirector de programas de vuelos espaciales de la NASA, Rossi consiguió una oportunidad de vuelo en el Explorer 10 , " el primer satélite de fabricación propia de Goddard ". [115] El objetivo no anunciado era impactar la Luna, pero después del lanzamiento el 25 de marzo de 1961, el satélite entró en una órbita muy alargada alrededor de la Tierra, cuyo apogeo , al 70% de la distancia a la Luna, estaba muy por debajo de este objetivo. [116]
Sin embargo, durante las 52 horas de datos registrados por la sonda del MIT antes de que se agotara la energía de la batería, el grupo de Rossi encontró una transición entre dos regiones distintas alrededor de la Tierra. Cerca de la Tierra, había campos magnéticos bastante fuertes y bien organizados, pero ninguna indicación de protones interplanetarios. A 22 radios terrestres, la nave espacial entró en una región donde los campos magnéticos eran más débiles e irregulares, y donde se observó un flujo sustancial de protones provenientes de la dirección general del Sol. En varias ocasiones durante el resto del vuelo, este flujo desapareció y luego reapareció de nuevo, lo que indicó que la nave espacial estaba volando cerca del límite entre las dos regiones y que este límite se estaba moviendo irregularmente. [116] Finalmente, este límite se conoció como magnetopausa . [117] [118]
Bajo la dirección de Bridge y Rossi, el grupo de plasma espacial del MIT incluía a Frank Scherb, Edwin Lyon, Alan Lazarus, Alberto Bonnetti, Alberto Egidi, John Belcher y Constance Dilworth, que era la esposa de Occhialini. [113] Sus copas Faraday han recopilado datos sobre el plasma en todo el Sistema Solar: cerca de la Tierra en OGO-1, OGO 3 e IMP 8, [119] en el espacio interplanetario en WIND , y en la heliosfera y la heliovaina en la Voyager 1 y la Voyager 2. [ 120]
Como consultor de American Science and Engineering, Inc. , Rossi inició los experimentos con cohetes que descubrieron la primera fuente extrasolar de rayos X , Scorpius X-1 . [121] Rossi fue nombrado profesor de instituto en el MIT en 1966. [122]
Rossi se retiró del MIT en 1970. De 1974 a 1980 enseñó en la Universidad de Palermo. En su retiro escribió una serie de monografías y una autobiografía en 1990, Moments in the Life of a Scientist , que fue publicada por Cambridge University Press . Murió de un paro cardíaco en su casa de Cambridge el 21 de noviembre de 1993. Le sobrevivieron su esposa, Nora, sus hijas Florence y Linda y su hijo Frank. [122] Fue incinerado y sus cenizas se encuentran en el cementerio de la iglesia de San Miniato al Monte , que domina Florencia y la colina de Arcetri. [123]
en
El nacimiento de la física de partículas
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ISBN
0-521-24005-0
Publicado originalmente como Los Alamos Report LAMS-2532
Identificación NSSDC: 1961-010A-02; Versión 4.0.21
