Bruno Rossi - Bruno Rossi
Bruno Benedetto Rossi | |
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| Nascer |
13 de abril de 1905 |
| Faleceu | 21 de novembro de 1993 (com 88 anos)
Cambridge, Massachusetts , Estados Unidos
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| Nacionalidade | italiano |
| Cidadania | Italiano , americano (depois de 1943) |
| Alma mater | Universidade de Bolonha |
| Cônjuge (s) | Nora Lombroso |
| Prêmios |
Medalha Elliott Cresson (1974) Medalha Nacional de Ciência (1983) Prêmio Wolf em Física (1987) Medalha Matteucci (1991) |
| Carreira científica | |
| Instituições |
University of Florence University of Padua University of Manchester University of Chicago Cornell University Massachusetts Institute of Technology |
| Orientador de doutorado | Quirino Majorana |
| Alunos de doutorado |
Giuseppe Occhialini Kenneth Greisen Matthew Sands Bernard Gregory George W. Clark Yash Pal |
| Assinatura | |
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De Bruno Benedetto Rossi ( / r ɒ s i / ; italiano: [rossi] , 13 de Abril de 1905-21 Novembro de 1993) foi um italiano físico experimental . Ele fez contribuições importantes para a física de partículas e o estudo dos raios cósmicos . Graduado em 1927 pela Universidade de Bolonha , ele se interessou por raios cósmicos. Para estudá-los, ele inventou um circuito eletrônico de coincidência aprimorado e viajou para a Eritreia para conduzir experimentos que mostraram que a intensidade dos raios cósmicos do Ocidente era significativamente maior do que a do Oriente.
Forçado a emigrar em outubro de 1938 devido às leis raciais italianas , Rossi mudou-se para a Dinamarca, onde trabalhou com Niels Bohr . Ele então se mudou para a Grã-Bretanha, onde trabalhou com Patrick Blackett na Universidade de Manchester . Finalmente ele foi para os Estados Unidos, onde trabalhou com Enrico Fermi na Universidade de Chicago e, posteriormente, na Universidade Cornell . Rossi ficou nos Estados Unidos e se tornou um cidadão americano.
Durante a Segunda Guerra Mundial , Rossi trabalhou no radar do Laboratório de Radiação do MIT e desempenhou um papel fundamental no Projeto Manhattan , chefiando o grupo no Laboratório de Los Alamos que realizou os Experimentos RaLa . Após a guerra, ele foi recrutado por Jerrold Zacharias no MIT, onde Rossi continuou sua pesquisa pré-guerra em raios cósmicos.
Na década de 1960, ele foi pioneiro na astronomia de raios-X e na física de plasma espacial . Sua instrumentação no Explorer 10 detectou a magnetopausa e ele iniciou os experimentos com foguetes que descobriram o Scorpius X-1 , a primeira fonte extra-solar de raios-X .
Itália
Rossi nasceu em uma família judia em Veneza , Itália . Ele era o mais velho dos três filhos de Rino Rossi e Lina Minerbi. Seu pai era engenheiro elétrico, que participou da eletrificação de Veneza. Rossi foi educado em casa até os quatorze anos, depois dos quais frequentou o Ginnasio e o Liceu em Veneza. Depois de iniciar seus estudos universitários na Universidade de Pádua , ele empreendeu trabalhos avançados na Universidade de Bolonha , onde recebeu uma Laurea em Física em 1927. Seu orientador de tese foi Quirino Majorana , que era um conhecido experimentalista e tio da físico Ettore Majorana .
Florença
Em 1928, Rossi iniciou sua carreira na Universidade de Florença , como assistente de Antonio Garbasso , que fundou o Instituto de Física da Universidade em 1920. Ficava em Arcetri , em uma colina sobranceira à cidade. Quando Rossi chegou, Garbasso foi Podestà de Florença, nomeado por Benito Mussolini 's governo fascista da Itália. No entanto, ele trouxe para o Instituto um grupo de físicos brilhantes que incluía Enrico Fermi e Franco Rasetti antes de se mudarem para Roma , bem como Gilberto Bernardini , Enrico Persico e Giulio Racah . Em 1929, o primeiro aluno de graduação de Rossi, Giuseppe Occhialini , concluiu o doutorado.
Em busca de pesquisas pioneiras, Rossi voltou sua atenção para os raios cósmicos , que haviam sido descobertos por Victor Hess em voos tripulados de balão em 1911 e 1912. Em 1929, Rossi leu o artigo de Walther Bothe e Werner Kolhörster , que descrevia a descoberta de partículas de raios cósmicos que penetraram 4,1 centímetros (1,6 pol.) de ouro. Isso foi surpreendente, pois as partículas carregadas mais penetrantes conhecidas na época eram elétrons de decaimento radioativo , que podiam penetrar menos de um milímetro de ouro. Nas palavras de Rossi,
veio como um clarão revelando a existência de um mundo insuspeito, cheio de mistérios, que ninguém ainda havia começado a explorar. Logo se tornou minha grande ambição participar da exploração.
Circuito de coincidência Rossi
Em 1954, Bothe recebeu o Prêmio Nobel de Física "pelo método da coincidência e suas descobertas feitas com ele" por um método de avaliação de eventos coincidentes que ele implementou antes de 1924. No entanto, sua implementação desse método foi muito complicada, pois envolvia visual correlação de pulsos fotografados. Poucas semanas depois de ler seu artigo com Kolhörster, Rossi inventou um circuito eletrônico de coincidência aprimorado , que fazia uso de tubos de vácuo triodo . O circuito de coincidência Rossi tem duas vantagens principais: oferece resolução temporal muito precisa e pode detectar coincidências entre qualquer número de fontes de pulso. Esses recursos permitem identificar eventos interessantes que produzem pulsos coincidentes em vários contadores. Esses eventos raros se destacam mesmo na presença de altas taxas de pulsos de fundo não relacionados nos contadores individuais. O circuito não apenas forneceu a base para a instrumentação eletrônica em física nuclear e de partículas, mas também implementou o primeiro circuito eletrônico AND , que é um elemento fundamental da lógica digital que é onipresente na eletrônica moderna .
Na época, uma versão tubular melhorada do contador Geiger original , inventado por Hans Geiger em 1908, tinha acabado de ser desenvolvida por seu aluno Walther Müller . Esses tubos Geiger-Müller ( tubos GM ou contadores) possibilitaram as investigações de Bothe. Com a ajuda de Occhialini na construção de tubos GM, e com a ajuda de um prático circuito de coincidências, Rossi confirmou e ampliou os resultados de Bothe, que o convidou a visitar Berlim no verão de 1930. Aqui, com o apoio financeiro de Garbasso, Rossi colaborou em novas investigações sobre a penetração dos raios cósmicos. Ele também estudou a descrição matemática de Carl Størmer das trajetórias de partículas carregadas no campo magnético da Terra . Com base nesses estudos, ele percebeu que a intensidade dos raios cósmicos vindos das direções leste pode ser diferente daquela dos raios oeste. De Berlim, ele enviou o primeiro artigo sugerindo que as observações desse efeito leste-oeste não só poderiam confirmar que os raios cósmicos são partículas carregadas, mas também determinar o sinal de sua carga.
Conferência de roma
No outono de 1931, Fermi e Orso Mario Corbino organizaram em Roma uma conferência internacional sobre física nuclear , que foi patrocinada pela Royal Academy of Italy . Fermi convidou Rossi para dar uma palestra introdutória sobre os raios cósmicos. Na platéia estavam Robert Millikan e Arthur Compton , ambos vencedores do Prêmio Nobel de Física em 1923 e 1927, respectivamente. Durante a década de 1920, Millikan, famoso por seu experimento com a gota de óleo , fez extensas medições da misteriosa radiação descoberta por Hess. Ele cunhou o nome de "raios cósmicos" e propôs que eles eram fótons criados pela fusão do hidrogênio no espaço interestelar. Ele não gostou da apresentação de evidências de que a maioria dos raios cósmicos observados são partículas carregadas de energia. Mais tarde, Rossi escreveu:
Millikan claramente se ressentia de ter sua adorada teoria despedaçada por um mero jovem, tanto que daquele momento em diante ele se recusou a reconhecer minha existência. (Em retrospecto, devo admitir que poderia ter sido mais diplomático em minha apresentação.)
Compton, que é famoso pelo efeito Compton , teve uma reação mais positiva, pois disse a Rossi mais tarde que a conversa o motivou a começar sua própria pesquisa sobre os raios cósmicos.
Curva de Rossi
Imediatamente após a conferência de Roma, Rossi realizou dois experimentos que levaram a um avanço significativo na compreensão dos raios cósmicos. Ambos envolveram coincidências triplas de pulsos de três contadores Geiger; mas, no primeiro, os contadores eram alinhados e separados por blocos de chumbo, enquanto no segundo, eles eram colocados em uma configuração triangular de forma que todos os três não podiam ser percorridos por uma única partícula viajando em linha reta. Os resultados da primeira configuração demonstraram a existência de partículas de raios cósmicos capazes de penetrar 1 metro (3 pés 3 pol.) De chumbo.
Com a segunda configuração encerrada em uma caixa de chumbo, os resultados mostraram que alguns raios cósmicos interagem em chumbo para produzir múltiplas partículas secundárias. Em uma extensão do segundo experimento, ele mediu a taxa de coincidências triplas em função da quantidade de chumbo acima dos contadores. Um gráfico dessa taxa em relação à espessura, que veio a ser conhecido como curva de Rossi, mostrou um rápido aumento à medida que a camada de chumbo aumentava, seguido por um lento declínio. Esses experimentos mostraram que os raios cósmicos ao nível do solo consistem em dois componentes: um componente "macio", que é capaz de gerar vários eventos de partículas, e um componente "rígido", capaz de atravessar grandes espessuras de chumbo. Na época, a natureza física de ambos era um mistério, pois eles ainda não se encaixavam no crescente corpo de conhecimento sobre física nuclear e de partículas.
No final de 1931, Rossi conseguiu que Occhialini trabalhasse no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge com Patrick Blackett , que ele conhecera em Berlim. Com o auxílio da nova técnica de coincidência eletrônica, Occhialini ajudou Blackett a desenvolver a primeira câmara de nuvens contra-controlada , com a qual eles confirmaram a descoberta do pósitron por Carl Anderson e deduziram que os elétrons positivos são produzidos em associação com os negativos por par produção . Até 23 elétrons positivos e negativos foram observados em alguns eventos, que foram claramente relacionados às chuvas do componente macio de Rossi.
Padua
Em 1932, Rossi ganhou um concurso para uma posição acadêmica em uma universidade italiana e foi nomeado professor de física experimental na Universidade de Pádua. Logo após a chegada de Rossi, o reitor pediu-lhe que supervisionasse o projeto e a construção do novo Instituto de Física de Pádua. Embora essa tarefa desviasse sua atenção da pesquisa e do ensino, ele concordou de bom grado, e o instituto foi inaugurado em 1937.
Efeito Leste-Oeste
Apesar dessa distração, Rossi conseguiu completar, em 1933, um experimento sobre o efeito leste-oeste que havia começado antes de deixar Arcetri. Como esse efeito é mais proeminente perto do equador, ele organizou uma expedição a Asmara na Eritreia , que era então uma colônia italiana no Mar Vermelho a uma latitude de 15 ° N. Com Sergio De Benedetti, ele montou um "telescópio de raios cósmicos ", que consistia em dois contadores GM separados em coincidência, cujo eixo de máxima sensibilidade podia ser apontado em qualquer direção. Logo ficou claro que a intensidade dos raios cósmicos do Ocidente era significativamente maior do que a do Oriente. Isso significa que houve um influxo maior de partículas primárias positivas do que de negativas. Na época, esse resultado foi surpreendente, porque a maioria dos investigadores mantinha a noção preconcebida de que os primários seriam elétrons negativos.
Assim que Rossi deixou a Eritreia, ele recebeu notícias de duas observações de um efeito leste-oeste semelhante. Estes foram publicados na Physical Review . Um era de Thomas H. Johnson, e o outro era de Compton e seu aluno, Luis Alvarez , que relatou observações na Cidade do México , onde a latitude é 19 ° N. Porque outros haviam realizado a primeira exploração experimental de sua importante ideia de 1930, Rossi ficou desapontado, mas publicou seus resultados imediatamente após retornar a Pádua. Mais tarde, com Frederick C. Chromey, Alvarez e Rossi patentearam um "Dispositivo de Determinação Vertical", que fazia uso de telescópios de raios cósmicos.
Na Eritreia, Rossi descobriu outro fenômeno que se tornaria o tema principal de sua pesquisa de raios cósmicos do pós-guerra: extensas chuvas de raios cósmicos . A descoberta ocorreu durante testes para determinar a taxa de coincidências acidentais entre os contadores Geiger de seu detector. Para garantir que nenhuma partícula pudesse acionar os contadores, ele os espalhou em um plano horizontal. Nesta configuração, a frequência das coincidências era maior do que a calculada com base nas taxas individuais e no tempo de resolução do circuito de coincidências. Rossi concluiu que:
... de vez em quando o equipamento de gravação é atingido por chuvas de partículas muito extensas, que causam coincidências entre contadores, mesmo colocados a grandes distâncias uns dos outros.
Em 1937, Rossi conheceu Nora Lombroso, filha de Ugo Lombroso , professor de fisiologia da Universidade de Palermo , e Silvia Forti. Seu avô era o renomado médico e criminologista Cesare Lombroso , e suas tias, Gina Lombroso e Paola Lombroso Carrara , eram renomadas escritoras e educadoras italianas. Em abril de 1938, Bruno e Nora se casaram e estabeleceram uma casa em Pádua.
Embora Rossi evitasse a política, alguns de seus associados eram oponentes ativos do estado fascista . Por exemplo, ele foi mentor de Eugenio Curiel , que se tornou membro do partido comunista , enquanto se graduava em Pádua. Mais tarde, em 1943, Curiel juntou-se à resistência em Milão e, em 1945, foi assassinado por soldados da República de Salò, um estado fantoche alemão . Da mesma forma, Ettore Pancini , que recebeu seu PhD com Rossi em 1938, passou os anos da guerra alternando entre a pesquisa de raios cósmicos e a participação ativa nos movimentos de resistência italianos de Pádua e Veneza.
Por causa dessas associações, e porque ambos os Rossis eram judeus , eles ficaram apreensivos à medida que o anti-semitismo italiano crescia sob a influência da Alemanha nazista . Eventualmente, como resultado das leis antijudaicas resultantes do Manifesto de Raça , Rossi foi demitido de seu cargo de professor. Em suas palavras:
Por fim, em setembro de 1938, soube que não era mais cidadão de meu país e que, na Itália, minha atividade como professor e cientista havia chegado ao fim.
Exílio
Com este revés, Rossi iniciou uma fase importante da sua carreira. Ele resumiu esse período em um livro de memórias: "The Decay of 'Mesotrons' (1939-1943): Experimental Particle Physics in the Age of Innocence", que ele apresentou em um simpósio no Fermilab em 1980. Em 12 de outubro de 1938, os Rossis partiram para Copenhagen , onde o físico dinamarquês Niels Bohr o convidou para estudar. O casal não tinha intenção de retornar à Itália e Bohr facilitou a busca de Rossi por uma posição mais segura, patrocinando uma conferência com a presença de físicos renomados. Ele esperava que um deles encontrasse um emprego para Rossi, e logo Rossi recebeu um convite para ir à Universidade de Manchester , onde Blackett estava desenvolvendo um importante centro de pesquisa de raios cósmicos. Depois de dois meses agradáveis na Dinamarca, Rossi e Nora chegaram a Manchester .
Manchester
A estada de Rossi em Manchester foi breve, mas produtiva. Neste momento, uma compreensão clara do componente flexível estava disponível. Em 1934, Hans Bethe e Walter Heitler publicaram uma descrição quantitativa não apenas da produção de pares elétron-pósitron por fótons energéticos, mas também da produção de fótons por elétrons e pósitrons energéticos . Em Manchester, Rossi colaborou com Ludwig Jánossy em um experimento que demonstrou a correção da teoria Bethe-Heitler do segundo processo, que ainda não havia sido totalmente confirmada. Este experimento também introduziu a técnica de anti-coincidência , que se tornou uma característica onipresente dos instrumentos de detecção e análise de partículas energéticas.
A essa altura, as observações da câmara de nuvem esclareceram a natureza do componente rígido. Em 1936, Anderson e seu aluno, Seth Neddermeyer , descobriram partículas de raios cósmicos com massa intermediária entre as do elétron e do próton, que Anderson chamou de "mesotrons". O mesotron posteriormente se tornou conhecido como "meson μ", que foi abreviado para " muon ". Pouco antes da conferência de Copenhagen, Blackett sugeriu que as variações observadas na intensidade dos raios cósmicos com a temperatura atmosférica poderiam ser uma indicação de que os mesotrons são instáveis, e ele manteve intensas discussões com Rossi sobre este assunto. Como resultado, Rossi deixou Manchester determinado a confirmar sua decadência e medir sua vida útil.
Chicago
Com a guerra se aproximando da Europa, Blackett e outros aconselharam Rossi a deixar a Grã-Bretanha. Conseqüentemente, ele escreveu a Compton, que o convidou para participar de um simpósio de verão em Chicago , e deu a entender que poderia haver um emprego disponível. Em junho de 1939, os Rossis partiram para Nova York , onde foram recebidos por Fermi e sua esposa Laura , que também havia deixado a Itália por causa das leis raciais. Após um breve reencontro com os Fermis, Bethe ofereceu aos Rossis uma carona para Chicago. Eles aceitaram com gratidão e chegaram à Universidade de Chicago em meados de junho de 1939.
Decadência do mesotron
Imediatamente após uma sessão de simpósio sobre instabilidade do mesotron chegar a um consenso de que observações mais definitivas eram necessárias, Rossi e Compton começaram a planejar um experimento. Como a intensidade do componente rígido aumenta com a altitude, enquanto a densidade do ar diminui, Compton sugeriu que as investigações deveriam ser realizadas no Monte Evans, no Colorado , onde ele havia trabalhado no início dos anos 1930, e onde o acesso a um local de pesquisa em A elevação de 4.310 metros (14.140 pés) é fornecida pelo Mount Evans Scenic Byway , a estrada pavimentada mais alta da América do Norte. Ele pediu a Rossi que começasse uma série de experimentos naquele verão, antes que a neve bloqueasse a estrada, e para ajudar, alistou dois de seus amigos, Norman Hillberry e J. Barton Hoag, e um aluno, Winston Bostick . Rossi e seus ajudantes rapidamente montaram o equipamento e o carregaram em um ônibus em ruínas que Compton pegou emprestado do departamento de Zoologia.
A essa altura, já se sabia que o principal processo pelo qual os mesotrons perdem energia é a perda de energia de ionização, descrita pela fórmula de Bethe , e é proporcional à massa por unidade de área da camada de material percorrido. Se esse fosse o único processo, a intensidade do componente duro que passa por uma camada de material sólido diminuiria na mesma proporção que em uma camada equivalente de ar. Rossi e seus colaboradores descobriram que a diminuição foi significativamente maior na atmosfera do que em uma camada correspondente de carbono sólido. Como a distância percorrida no ar era muito maior do que no carbono, eles interpretaram esse resultado como evidência de decadência do mesotron e, levando em consideração o efeito da dilatação relativística do tempo , estimaram sua vida média em repouso em cerca de 2 microssegundos.
No verão seguinte, Rossi voltou ao Monte Evans, onde realizou experimentos perto do Lago Echo a uma altitude de 3.230 metros (10.600 pés). Com o uso de técnicas anti-coincidência, o aparelho tornou possível medir a trajetória livre média antes da decadência de dois grupos de mesotrons com momentos médios diferentes. Os resultados, publicados com David B. Hall, não apenas confirmaram a proporcionalidade entre o momento da partícula e o caminho livre médio dos mesotrons antes do decaimento que é esperado com base na teoria da relatividade , mas também apresentaram uma estimativa melhorada do tempo de vida em repouso: ( 2,4 ± 0,3) microssegundos. Esses resultados e os do ano anterior não foram apenas os primeiros a mostrar definitivamente que os mesotrons são instáveis, mas também a primeira confirmação experimental da dilatação do tempo de relógios em movimento prevista pela teoria da relatividade.
Cornell
Em Chicago, a posição de Rossi como pesquisador associado não era permanente, e Compton não foi capaz de lhe garantir um melhor. Consequentemente, iniciou uma procura de emprego, durante o qual deu um seminário na Cornell University , onde, por coincidência, a morte havia criado uma vaga no departamento de Física. Depois que Bethe sugeriu que Rossi fosse convidado para ocupar o cargo, ele foi nomeado professor associado da Cornell. No outono de 1940, depois de voltar do Colorado para Chicago, os Rossis partiram para Ítaca .
Em Cornell, Rossi conheceu seu primeiro estudante americano de graduação, Kenneth Greisen , com quem escreveu um artigo, "Cosmic-Ray Theory", que foi publicado na Reviews of Modern Physics e ficou conhecido entre os pesquisadores de raios cósmicos como "A Bíblia" . Durante o verão de 1941, Greisen e físicos de Denver e Boulder acompanharam Rossi ao Monte Evans, onde refinaram o conhecimento da proporcionalidade entre o momento do mesotron e a vida antes da decadência. Greisen e Rossi também realizaram experimentos, que mostraram, em termos de processos documentados na "Bíblia", que nem todas as partículas do componente mole podem ser produzidas por mesotrons do componente duro. Eles interpretaram isso como evidência de elétrons ou fótons primários, mas ficou evidente mais tarde que o excesso brando surge da decadência de píons neutros .
Após a expedição de 1941 ao Colorado, Rossi decidiu que a questão de saber se a decadência dos mesotrons havia sido respondida. No entanto, ele não estava satisfeito com a precisão com que o tempo de vida havia sido determinado, pois as estimativas existentes dependiam da massa do mesotron, que não era conhecida com precisão. Para realizar uma medição mais direta, ele projetou um aparelho para medir o intervalo de tempo entre a chegada de um mesotron em um absorvedor, onde ele parava, e a emissão de um elétron quando o mesotron decaía. Para ajudar, ele obteve a ajuda do estudante de graduação Norris Nereson. No centro de seu experimento, estava um "cronômetro", que era um circuito eletrônico que produzia um pulso cuja altura era precisamente proporcional ao intervalo de tempo, e que podia ser registrado fotografando um traçado de osciloscópio .
Esse foi o primeiro conversor tempo-amplitude , outra contribuição de Rossi às técnicas eletrônicas da física experimental. Com absorvedores de chumbo e latão, o número de decomposições foi traçado em função do tempo. Essas curvas de decaimento tinham a mesma forma exponencial das substâncias radioativas comuns e deram um tempo de vida médio de 2,3 ± 0,2 microssegundos, que foi posteriormente refinado para 2,15 ± 0,07 microssegundos. Após a guerra, Rossi descobriu que seus colegas italianos, Marcello Conversi e Oreste Piccioni , realizaram experimentos muito semelhantes aos seus e mediram uma vida útil consistente com seu resultado.
Relembrando o que chamou de "Idade da Inocência", Rossi escreveu:
Como é possível que resultados relativos a problemas fundamentais da física de partículas elementares possam ser alcançados por experimentos de uma simplicidade quase infantil, custando apenas alguns milhares de dólares e exigindo apenas a ajuda de um ou dois alunos graduados?
Los Alamos
Com a conclusão de seu trabalho com mesotrons, Rossi voltou sua atenção para o esforço de guerra. Em 1942, enquanto viajava de Ithaca para Cambridge, Massachusetts , ele se tornou um consultor em desenvolvimento de radar no Laboratório de Radiação do Instituto de Tecnologia de Massachusetts . Aqui, junto com Greisen, ele inventou um "circuito de rastreamento de alcance", que foi patenteado após a guerra.
No início de julho de 1943, Bethe convidou Rossi para se juntar ao Projeto Manhattan . Em um mês, ele se apresentou para trabalhar no Laboratório de Los Alamos . Algumas semanas depois, Nora e sua filha de três anos, Florence, se juntaram a Rossi em Los Alamos, Novo México . O diretor do laboratório, Robert Oppenheimer , pediu a Rossi que formasse um grupo para desenvolver os instrumentos de diagnóstico necessários para criar a bomba atômica. Ele logo percebeu que já existia um grupo com missão semelhante chefiado pelo físico suíço Hans H. Staub . Os dois decidiram fundir seus esforços em um único "Grupo de Detectores". Eles foram auxiliados por aproximadamente vinte jovens pesquisadores, incluindo Matthew Sands um "mago eletrônico", que mais tarde obteve um PhD com Rossi, e David B. Nicodemus , que Staub trouxe da Universidade de Stanford , que era um especialista em detectores de partículas.
Câmara de ionização rápida
O desenvolvimento da bomba exigia grandes detectores de radiação ionizante, cuja resposta é proporcional à energia liberada no detector e segue rápidas mudanças na intensidade da radiação. Desde as primeiras pesquisas sobre radioatividade , a radiação foi medida em termos de ionização , mas as câmaras de ionização existentes demoravam a responder às mudanças. Para resolver este problema, Rossi e Staub realizaram uma análise cuidadosa dos pulsos que resultam quando partículas carregadas individuais criam íons dentro de uma câmara de ionização. Eles perceberam que a alta mobilidade dos elétrons livres removidos dos átomos ionizados significa que os pulsos produzidos por partículas individuais podem ser muito breves. Com James S. Allen, Rossi encontrou misturas de gases de alta mobilidade de elétrons e baixa fixação de elétrons . Com base nessas investigações, Allen e Rossi inventaram a "câmara de ionização rápida", que patentearam após a guerra. Foi um fator crucial para o sucesso do Projeto Manhattan e se tornou amplamente usado na pesquisa pós-guerra em física de partículas.
Experimentos RaLa
Em abril de 1944, o projeto Manhattan passou por uma crise, quando o grupo de Emilio Segrè descobriu que o plutônio feito em reatores não funcionava em uma arma de plutônio do tipo canhão como o " Homem Magro ". Em resposta, Oppenheimer reorganizou completamente o laboratório para se concentrar no desenvolvimento de uma arma do tipo implosão .
Rossi foi convocado para implementar um método para testar vários designs de armas para chegar a uma que produzisse uma implosão esférica com precisão simétrica. Os testes mediram mudanças na absorção de raios gama em uma esfera de metal quando ela sofreu compressão implosiva. Os raios gama foram emitidos por uma pelota do radioisótopo de curta duração Lanthanum-140 posicionado no centro da esfera. O termo experimento RaLa é uma contração de Ra dioactive La nthanum. Conforme a compressão progredia, o rápido aumento na absorção foi detectado como uma diminuição da intensidade dos raios gama registrada fora da montagem.
Os experimentos RaLa revelaram muitas armadilhas no caminho para uma implosão bem-sucedida. Para entender os jatos problemáticos que afetaram os projetos iniciais de implosão, outros métodos de teste foram necessários, mas os experimentos RaLa desempenharam um papel fundamental no projeto de lentes explosivas . Em sua história do projeto de Los Alamos, David Hawkins escreveu: "RaLa se tornou o experimento individual mais importante que afetou o projeto final da bomba".
Diagnóstico Trinity
Em 16 de julho de 1945, um dispositivo de plutônio do tipo implosão foi detonado no local de Trinity perto de Alamogordo, Novo México . O codinome desse dispositivo era " O gadget ", e seu design era muito semelhante ao da arma Fat Man que foi lançada em Nagasaki vinte e quatro dias depois.
Em preparação para o Trinity, Rossi projetou instrumentação para registrar a radiação gama durante a reação em cadeia, cuja duração era esperada em aproximadamente 10 nanossegundos. As observações nesta escala de tempo estavam quase além do estado da arte em 1945, mas Rossi projetou e construiu uma grande câmara de ionização cilíndrica cuja velocidade de resposta era adequada porque seus eletrodos coaxiais eram separados por um espaço estreito de apenas 1 centímetro (0,39 pol.) .
Para registrar o sinal, ele instalou um osciloscópio muito rápido, fornecido como protótipo pelos Laboratórios DuMont , em um bunker subterrâneo a várias centenas de metros do Gadget, onde foi fotografado. Para levar o sinal ao osciloscópio, ele desenvolveu uma linha de transmissão coaxial superdimensionada , cujo condutor interno foi diminuindo à medida que ia da câmara ao osciloscópio. Como essa configuração aumentava o sinal que chegava ao osciloscópio, não havia necessidade de amplificação. Para confirmar esse comportamento surpreendente, Rossi consultou o professor de Harvard Edward Purcell .
Poucos dias depois do teste, Rossi foi para a câmara escura com Fermi, e antes que o filme recém-revelado secasse, eles foram capazes de calcular a taxa de crescimento inicial da atividade nuclear, que era uma informação crucial para o desenvolvimento de armas futuras. Das três tentativas de medir essa taxa no Trinity, a de Rossi foi a única que teve sucesso total.
MIT
Com o sucesso do Projeto Manhattan e do Laboratório de Radiação, o MIT entrou em uma nova era de " big science " financiada pelo governo dos Estados Unidos. A expansão do MIT na física nuclear foi liderada por Jerrold R. Zacharias , que foi para Los Alamos no final da guerra, e recrutou Viki Weisskopf e Rossi como professores do MIT. Rossi deixou Los Alamos e foi para Cambridge em 6 de fevereiro de 1946.
Dentro do novo Laboratório de Ciência Nuclear , chefiado por Zacharias, Rossi foi delegado para criar um grupo de pesquisa de raios cósmicos no MIT. Para ajudar, ele recrutou quatro jovens cientistas que haviam estado em Los Alamos como candidatos ao doutorado: Herbert Bridge, Matthew Sands, Robert Thompson e Robert Williams. Dois que haviam trabalhado no Laboratório de Radiação também vieram trabalhar com ele: John Tinlot e Robert Hulsizer. Todos os seis eram mais maduros do que os alunos de pós-graduação típicos, pois tinham vários anos de experiência em pesquisa em tempos de guerra. Conseqüentemente, eles recebiam uma bolsa semelhante à de um pesquisador de pós - doutorado , que era financiada pelo Office of Naval Research e lhes permitia sustentar famílias durante seus estudos de pós-graduação.
Para esta nova fase de suas atividades, Rossi fez uma mudança fundamental de abordagem. Em suas palavras:
No meu novo cargo, minha atividade seria muito diferente do que tinha sido nos anos anteriores. Depois, trabalhando sozinho ou, no máximo, com a ajuda de alguns alunos eu construía os instrumentos, levava até o local onde deveriam ser usados, fazia as medições e analisava os resultados. Agora, eu tinha a responsabilidade de um grupo inteiro, e o que importava não era o meu próprio trabalho, mas o trabalho do grupo. Minha tarefa era identificar os programas de pesquisa mais promissores entre aqueles que estivessem ao nosso alcance, para ajudar onde fosse necessário auxílio no planejamento da instrumentação ou na avaliação de resultados experimentais, tudo isso sem desestimular a iniciativa individual dos pesquisadores.
Partículas Elementares
Com a descoberta do píon em 1947, a busca por novas partículas elementares tornou-se um tópico de pesquisa popular. Operando câmaras de ionização rápidas dentro de uma câmara de nuvem, Herbert mostrou que as explosões de ionização que eles registraram foram produzidas principalmente por raios cósmicos de energia relativamente baixa, cujas interações nucleares normalmente envolvem a ejeção de vários fragmentos nucleares fortemente ionizantes . Com base nesse efeito, ele e Rossi demonstraram que o comportamento dessas interações é semelhante ao de chuveiros penetrantes.
O grupo de Rossi se concentrou no uso de câmaras de nuvem para estudar suas propriedades e interações. Em 1948, com o auxílio de uma câmara de nuvem de placas múltiplas em que as placas de chumbo se alternavam com as de alumínio, Gregory, Rossi e Tinlot mostraram que a fonte do componente eletromagnético das interações dos raios cósmicos era predominantemente fótons energéticos, em vez de elétrons. Esse resultado confirmou a sugestão de Oppenheimer de 1947 de que píons neutros são produzidos em interações, junto com os carregados, e que esse componente surge de seu rápido declínio em fótons.
Para estudar as novas partículas elementares, Bridge e Martin Annis operaram uma grande câmara de nuvem retangular de múltiplas placas em Echo Lake. Esta investigação forneceu a base para uma tese de doutorado de 1951 por Annis, orientada por Rossi. No ano seguinte, esses autores, com outro aluno de Rossi, Stanislaw Olbert, mostraram como derivar informações sobre as energias das partículas a partir de medições de seu espalhamento múltiplo . Isso adicionou outra maneira de usar câmaras de nuvem para medir as propriedades de partículas elementares. No início de 1953, com Bridge, Richard Safford e Charles Peyrou , Rossi publicou os resultados de um estudo abrangente da câmara de nuvem das partículas elementares que se tornaram conhecidas como kaons . Peyrou era um visitante da École Polytechnique , onde obteve um valor preciso da massa do múon em 1947, e Safford foi aluno de Rossi.
Conferência Bagnères-de-Bigorre
Em 1952, um "zoológico" desconcertante de partículas elementares foi relatado, com várias massas, esquemas de decaimento, nomenclatura e confiabilidade de identificação. Para lidar com esta situação, Blackett e Leprince-Ringuet organizaram uma Conferência Internacional de Raios Cósmicos em Bagnères-de-Bigorre em 1953. De acordo com James Cronin , "esta conferência pode ser colocada em importância na mesma categoria de duas outras conferências famosas, a Congresso Solvay de 1927 e a Conferência Shelter Island de 1948. "
Leprince-Ringuet pediu a Rossi um resumo das novas informações apresentadas na conferência e uma proposta de nomenclatura para as novas partículas. Antes da conferência, em resposta à última atribuição, Rossi divulgou uma sugestão de que as partículas com massa menor que a de um nêutron fossem designadas por letras gregas pequenas e aquelas com massa maior fossem designadas por letras gregas maiúsculas. Em sua palestra, em 11 de julho de 1953, ele relatou que os resultados da conferência, que ele compilou com a ajuda de Powell e Fretter, eram consistentes com esse esquema, que foi comumente usado depois.
Um destaque foi a declaração de Leprince-Ringuet em sua palestra de encerramento: "... no futuro, devemos usar aceleradores de partículas." Com os 3 GeV Cosmotron já em operação no Laboratório Nacional de Brookhaven , esta declaração refletiu um consenso entre os participantes. Como resultado, o grupo de Rossi começou a encerrar seus experimentos em câmaras de nuvens. No entanto, em 1954, Bridge, Hans Courant, Herbert DeStaebler, Jr. e Rossi relataram um evento incomum no qual uma partícula carregada isoladamente decaiu em três fótons cujas energias totalizaram mais do que a energia de repouso do próton. Esta é a assinatura de uma aniquilação de antiprótons . No ano seguinte, um grupo liderado por Owen Chamberlain e Emilio Segrè detectou antiprótons, pelos quais eles receberam o Prêmio Nobel de Física em 1960.
Extensos chuveiros de ar
Na época da conferência de Bagnères-de-Bigorre, Rossi já havia voltado sua atenção para as implicações astrofísicas dos fenômenos de raios cósmicos, particularmente grandes chuveiros de ar. Após o reconhecimento de Rossi, na Eritreia, de que esses eventos existem, eles foram amplamente estudados por Pierre Auger e por Williams. Neste momento, a resposta extremamente rápida dos contadores de cintilação recentemente desenvolvidos ofereceu uma nova maneira de estudar a estrutura dos chuveiros de ar. Para isso, Rossi recrutou seu aluno, George W. Clark , que completou o doutorado em 1952, e Piero Bassi, que era visitante da Universidade de Pádua. Como o material cintilante sólido não estava disponível, eles decidiram usar terfenil dissolvido em benzina , que é um cintilador líquido eficiente . Com a ajuda de três contadores implantados no telhado do prédio do MIT Physics durante o inverno de 1952/53, eles descobriram que as partículas do chuveiro chegavam a apenas um ou dois metros de um disco, que viaja quase na velocidade da luz na direção do eixo do chuveiro.
Este resultado mostrou que os contadores de cintilação podem não apenas determinar os tempos de chegada dos discos de chuveiro em muitos detectores espalhados por uma grande área, mas também estimar o número de partículas que atingem cada detector. Esses recursos combinam o método de "tempo rápido" para determinar as direções de chegada do chuveiro com o método de amostragem de densidade para determinar seu tamanho e a localização de seus eixos.
Experimento de Agassiz
Com este progresso, o grupo de Rossi iniciou um grande experimento que poderia medir as energias primárias e direções de chegada de extensos chuveiros de ar. Participaram desse esforço: George Clark, William Kraushaar, John Linsley , James Earl e Frank Scherb. Kraushaar veio de Cornell para o MIT em 1949, após obter seu PhD com Kenneth Greisen. Com o apoio do professor Donald Menzel, que foi diretor do Harvard College Observatory , o grupo de Rossi implantou quinze cintiladores líquidos, de área de 1 metro quadrado (11 pés quadrados) no terreno arborizado da estação de Agassiz do observatório . Os sinais foram trazidos por cabos para uma cabana Quonset , onde foram exibidos em quinze oscilógrafos e registrados fotograficamente.
Logo após o experimento começar a registrar os dados do chuveiro, um raio acendeu o líquido inflamável de um dos contadores. Os bombeiros locais rapidamente extinguiram o incêndio resultante antes que ele se espalhasse para as árvores próximas, que foram encharcadas com água da chuva. Como as árvores desempenhavam um papel essencial na supressão da convecção atmosférica que degradaria as observações telescópicas, Harvard e o MIT conduziram negociações tensas, até que um elaborado sistema de proteção contra incêndio fosse instalado e o experimento pudesse ser retomado. Para eliminar a ameaça de incêndio, Clark, Frank Scherb e William B. Smith criaram uma "fábrica" que fazia discos cintiladores de plástico não inflamáveis, cuja espessura era de 10 centímetros (3,9 pol.) E cujo diâmetro era de aproximadamente 1 metro (3 pés 3 pol.) .
Depois de uma mudança para o plástico no final da primavera de 1956, o experimento funcionou continuamente. Suas descobertas foram relatadas na Nature and the Physical Review . Os resultados mais importantes foram resumidos por Rossi como:
1. Uma medição precisa da densidade das partículas do chuveiro em função da distância do centro do chuveiro.
2. Uma medição do espectro de energia das partículas primárias responsáveis pelas chuvas de 10 15 volt de elétron a 10 18 volt de elétron.
3. A prova de que essas partículas chegam em números praticamente iguais de todas as direções.
4. A observação de uma partícula com energia próxima a 10 19 elétron volt.
Quando o experimento de Agassiz chegou ao fim, o grupo percebeu que as observações perto do equador e no hemisfério sul eram necessárias para estender sua conclusão de que as direções de chegada do chuveiro de ar são quase isotrópicas. Conseqüentemente, Clark, em colaboração com Vikram Sarabhai , realizou seu experimento menor em Kodaikanal , Índia, a uma latitude de 10 ° N, e confirmou a ausência de anisotropias. Posteriormente, por sugestão de Ismael Escobar, o equipamento Agassiz foi transferido para El Alto a 4.200 metros no planalto boliviano a 16 ° S. Aqui, Clark, Escobar e Juan Hersil não encontraram anisotropias, mas mostraram que a estrutura dos chuveiros de ar em seu desenvolvimento máximo é diferente daquele ao nível do mar.
Experiência do Vulcão Ranch
A energia máxima de uma partícula registrada pelo experimento de Agassiz, 10 19 elétron volt, está perto de energias além das quais partículas carregadas não podem ser confinadas ao disco galáctico por campos magnéticos interestelares típicos de 10-5 gauss . Um conjunto de detectores de dimensões muito grandes é necessário para detectar chuvas dessas energias. John Linsley concordou em assumir a responsabilidade pela construção de tal matriz. Ele veio para o MIT em 1954 vindo da Universidade de Minnesota , onde completou um PhD com Edward P. Ney . Logo, ele foi acompanhado por Livio Scarsi , que Rossi recrutou do grupo de Occhialini na Universidade de Milão .
Como não havia um trecho grande o suficiente de terreno aberto disponível perto de Boston, o array foi construído em uma propriedade semidesértica conhecida como Volcano Ranch , cerca de 16 milhas (26 km) a oeste de Albuquerque, Novo México , a uma altitude de 1.770 metros (5.810 ft). Durante 1957 e 1958, Linsley e Scarsi implantaram 19 contadores de cintilação, que usavam discos de plástico fluorescentes semelhantes aos dos detectores Agassiz, exceto que cada contador incorporava quatro discos vistos por quatro fotomultiplicadores. Inicialmente, a área do conjunto era de 2,5 * 10 6 m 2 , que deve ser comparada com os 10 5 m 2 de Agassiz , mas em 1960, depois que Scarsi voltou a Milão , Linsley espalhou os detectores por uma área de 10 7 m 2 .
Os resultados do experimento Volcano Ranch mostraram que a intensidade dos raios cósmicos diminui suavemente com a energia de 10 17 - 10 18 elétron volt. e que as primárias nesta faixa chegam isotropicamente. De particular importância foi a detecção de uma única partícula cuja energia de 10 20 elétron volt é maior do que o máximo que poderia ser contido no disco galáctico por campos magnéticos galácticos. Partículas dessas energias só podem se originar no halo galáctico ou além da galáxia , e sua existência não é consistente com o limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin .
Space Plasma Research
Em 4 de outubro de 1957, a União Soviética lançou o primeiro satélite artificial da Terra , o Sputnik 1 . Esse evento deu início à crise do Sputnik , uma "onda de quase histeria" entre um surpreso público americano. Em resposta, o governo dos EUA aumentou o financiamento para a National Science Foundation e, em 1958, criou a National Aeronautics and Space Administration (NASA) e a Advanced Research Projects Agency , que foi rebatizada de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) em 1972 . Em 4 de junho de 1958, dois dias após a legislação criando a NASA ter sido apresentada, Detlev W. Bronk , presidente da National Academy of Sciences , reuniu-se com os chefes dessas três agências para criar um novo corpo consultivo, o Space Science Board, para fornecer conselhos para a expansão da pesquisa espacial e para garantir que o financiamento da ciência fundamental seja devidamente enfatizado.
O Conselho se reuniu para sua primeira reunião em 27 de junho de 1958. Apenas quatro membros já estavam engajados na pesquisa espacial: Rossi, Leo Goldberg , John Simpson e James Van Allen . Rossi formou um subcomitê que incluía Thomas Gold , Philip Morrison e o biólogo Salvador Luria , que concordou que as investigações de plasma no espaço interplanetário seriam desejáveis. Consequentemente, Rossi decidiu voltar os esforços de seu grupo para o estudo. Com a ponte Herbert, Rossi projetou e testou uma sonda de plasma baseada no clássico copo de Faraday . No entanto, para aumentar a resposta do instrumento aos prótons carregados positivamente e suprimir sua resposta aos fotoelétrons produzidos pela luz solar, quatro grades foram implantadas dentro do copo. Uma inovação chave foi uma tensão modulante aplicada a uma das grades, que converteu o sinal em uma corrente alternada , proporcional ao fluxo de prótons e não contaminada por qualquer contribuição de fotoelétrons.
Após intenso lobby de Homer Newell , vice-diretor de programas de voo espacial da NASA, Rossi garantiu uma oportunidade de voo no Explorer 10 , " o primeiro satélite doméstico de Goddard ". O objetivo não anunciado era atingir a lua, mas após o lançamento em 25 de março de 1961, o satélite entrou em uma órbita altamente alongada ao redor da Terra, cujo apogeu , a 70% da distância da lua, estava bem aquém dessa meta.
No entanto, durante 52 horas de dados registrados pela sonda do MIT antes que a bateria acabasse, o grupo de Rossi encontrou uma transição entre duas regiões distintas ao redor da Terra. Perto da Terra, havia campos magnéticos bastante fortes e bem organizados, mas nenhuma indicação de prótons interplanetários. Com 22 raios terrestres, a espaçonave entrou em uma região onde os campos magnéticos eram mais fracos e mais irregulares, e onde um fluxo substancial de prótons foi observado vindo da direção geral do Sol. Em várias ocasiões durante o resto do vôo, esse fluxo desapareceu e reapareceu novamente, o que indicava que a espaçonave estava voando perto da fronteira entre as duas regiões e que essa fronteira estava se movendo de forma irregular. Eventualmente, esse limite tornou-se conhecido como magnetopausa .
Sob Bridge e Rossi, o grupo de plasma espacial do MIT incluía Frank Scherb, Edwin Lyon, Alan Lazarus, Alberto Bonnetti, Alberto Egidi, John Belcher e Constance Dilworth , que era a esposa de Occhialini. Seus copos Faraday coletaram dados de plasma em todo o sistema solar: perto da Terra no OGO-1, OGO 3 e IMP 8, no espaço interplanetário no WIND e na Heliosfera e Heliosheath na Voyager 1 e Voyager 2 .
Astronomia de raios-x
Como consultor da American Science and Engineering, Inc. , Rossi iniciou os experimentos com foguetes que descobriram a primeira fonte extra-solar de raios-X , o Scorpius X-1 . Rossi foi nomeado Professor do Instituto no MIT em 1966.
Aposentadoria
Rossi se aposentou do MIT em 1970. De 1974 a 1980, ele lecionou na Universidade de Palermo. Quando se aposentou, ele escreveu várias monografias e uma autobiografia de 1990, Moments in the Life of a Scientist , publicada pela Cambridge University Press . Ele morreu de uma parada cardíaca em sua casa em Cambridge em 21 de novembro de 1993. Ele deixou sua esposa, Nora, as filhas Florence e Linda e o filho Frank. Ele foi cremado e suas cinzas estão no cemitério da igreja de San Miniato al Monte , com vista para Florença e a colina de Arcetri.
Honras e prêmios
Prêmios
- Wolf Prize in Physics por seu papel no desenvolvimento da astronomia de raios-X (1987)
- Medalha Nacional de Ciência (1985)
- Prêmio Rumford da Academia Americana de Artes e Ciências por "descobertas sobre a natureza e as origens das radiações cósmicas" (1976)
- Medalha Elliott Cresson (1974)
- Medalha de ouro da Sociedade Italiana de Física (1970)
- Médicos honoris causa das universidades de Palermo, Durham e Chicago
Legado
- Rossi X-ray Timing Explorer , um observatório de raios-X via satélite da NASA lançado em 1995.
- Prêmio Bruno Rossi da divisão de Astrofísica de Alta Energia da American Astronomical Society .
- Há uma cadeira dotada em homenagem a Bruno Rossi no MIT. Atualmente é detido pelo Prof. Claude R. Canizares .
Livros
- Rossi, Bruno (1952). Partículas de alta energia . Nova York: Prentice-Hall. OCLC 289682 .
- Rossi, Bruno (1964). Raios Cósmicos . Nova York: McGraw-Hill.
- Rossi, Bruno; S. Olbert (1970). Introdução à Física do Espaço . Nova York: McGraw-Hill.
- Rossi, Bruno (1990). Momentos na vida de um cientista . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-36439-6.
- Rossi, Bruno (1957). Óptica . Leitura, MA: Addison Wesley.
- Rossi, Bruno (1959). "Raios cósmicos de alta energia". Sci. Sou. (publicado em novembro de 1959). 201 (5): 135–46. Bibcode : 1959SciAm.201e.134R . doi : 10.1038 / scientificamerican1159-134 . PMID 14439229 .
Referências
links externos