Fukushima two years later: a scientific report (2) - Gamma spectroscopy

This post appeared in Italian on wired.it. This is the secon part of a (poor) English translation. First part is here

Not only  the food is continuously monitored: also construction wood from the forests of the region is controlled. In this case too the safety limits are much more severe than that of  the volcanic pozzolans often used in the construction of houses and Italian schools.

Monitoring of radiation in a supermarket 10 km
from the coast of Fukushima

Comparison between radiation Italy (Rome) and Japan (Tokyo and Saitama). It is possible to see how radioactive background is higher in Rome than Tokyo. In  Rome the radiation environment is dominated by the peaks of Radon 222. The arrow indicates  where   the Cesium 137 (660 keV) peak should be located.

An estimation of  the amount of Cesium in food, wood or forage requires a spectrometer capable of determining the energy of each gamma ray. Since each isotope emits gamma rays of specific energies, it is possible to determine the quantities of the various isotopes present.

Among the recent devices there is a portable detector consisting of a crystal to stop the gamma  (CsI) and a Silicon Photomultiplier (MMPC or as they call them) to detect the energy measuring the light emitted in the crystal. The simplicity of this type of tools is that they do not require high voltages, are   small as a pack of cigarettes and is used as a USB device. The cost, however, is about 20 times that of a Geiger counter.

A spectrometer can  count, for each decay, the energy of the rays that strike it. In about an hour and then it is possible to obtain a spectrum which describes the type and amount of environmental radiation. To improve the statistics and better highlight the peaks is, however, advisable to wait a while longer. The picture above shows the value measured at Rome in an apartment on the fourth floor: it is 0.25microSv/hour  (with peaks of 0.35).

In the figure above it is possible to see how the spectrum in Rome (and in much of Italy) is dominated by radon 222, a noble gas source to the high amount of environmental radiation. Usually the radon comes from the soil and tuff, but in this case, since it is an apartment on the fourth floor, is more likely to come from pozzolana used in the construction materials . In figure are compared the spectra taken in Rome with those  acquired in Japan. The value of Rome is  higher (0.25microSv / h), followed by the basement workshops of Tor Vergata (0.10 microSv / h, where, however, there is much radon), Kokubunji (0.05), and the fourth floor in Wako (0035 microSv / h). Note the almost total absence of radon in Japan. It is worth mentioning that the environmental radiation at the onsen baths is higher due to the volcanic nature of the sulphurous waters.

Monitoring radiation in wood to be used for construction

In the samples collected in the hot spots, Cesium-137 is present in large quantities: this isotope decays into an excited state of barium (emitting an electron and an antineutrino). The de-excitation of barium emits a signal characteristic of this element: a gamma ray energy of 660 keV. The process is similar to that of fluorescence, only that in this case atomic electrons are excited. The return to the ground state emits light (between 2 and 3 eV), e.g. electromagnetic radiation. The energy levels in the nucleus are thousands of times more intense and therefore the electromagnetic radiation emitted has an frequency and associated energy thousands of times greater.

To the left of the peak  there is the so-called 'Compton edge', produced by gamma rays hitting an atomic electron of the Cesium crystal in the detector and accelerating it with a slightly lower energy (depending on the angle with which it is emitted). The spectroscopic analysis of a particularly contaminated sample, taken on  the side of a mountain road between the city of Fukushima and the coast. This sample shows the presence of the isotope cesium-134, which decays into barium with several peaks at 600, 790, 1400 and 1600 keV (the latter is out of range of the detector).

The cesium-134 has a decay time of two years, therefore the presence of this isotope represents the "signature" of the origin of the  Fukushima power plant. In other cases, the absence of cesium-134 was used to show how well mushrooms that had radioactivity above the threshold of 100 Bq / kg were not contaminated by the panel, but presumably from nuclear tests in the ‘60s.

Gamma spectrum from a pure Cs 137 source

Spectrum of a sample of soil containing cesium 134 and 137 of Fukushima region

The measures in the region of Fukushima were extremely interesting, but equally important on a personal level was the contact with the local population. Far from being disheartened, the people in Tohokoku did not give up and have rebuilt many of the structures destroyed by the tsunami. Although the plant has not resulted in deaths due to radiation (morbidly sought by national and international journalists), many deaths are due to poor management of the emergency in the first frantic days after the earthquake. Others are due to suicides after resettlement. The inhabitants of the regions closer to the center have been forcefully moved away and are now rebuilding the social fabric elsewhere, so sometimes it is difficult to return to their town of origin, even if it were decontaminated. The most relevant problem is economic: the damage to the primary sector and tourism are visible to all and will require years to get back to normal.

2. end  First part is here

I veri confini del sistema solare, Frank McDonald e le Voyager

E' di questi giorni la pubblicazione di un articolo su Journal of Geophysical Research dell'uscita dal sistema solare della sonda Voyager 1.  La transizione è  avvenuta il 25 agosto 2012 ad una distanza di circa 120 unità astronomiche.  L'evento, per quanto importante e di estremo interesse, non è unico. Infatti:

Non è la prima volta che questo avviene:  le due sonde Voyager hanno misurato effetti simili più volte, via via che si avvicinavano allo shock di terminazione del vento solare. Si tratta della regione, variabile per dimensioni e forma, in cui le particelle di vento solare (emesse dal sole ad una velocità di svariate centinaia di km/s), rallentano sino a formare un'onda d'urto di particelle cariche. Questa barriera accelera i cosiddetti raggi cosmici anomali (ad esempio nuclei di Ossigeno - A in figura) per cui il loro numero aumenta all'interno dell'eliosfera (ossia a sinistra nella figura). La barriera deflette anche i raggi cosmici galattici, per  cui il numero di particell cresce con il passare del tempo. 

I tre confini del sistema solare

Non esiste un confine del sistema solare ma (almeno) tre. Oltre allo shock di terminazione vi sono almeno altre due regioni che distinguono il sistema solare dal mezzo galattico: la magnetopausa, in cui il campo magnetico solare decresce sino ad avere lo stesso valore di quello della galassia; lo shock supersonico, analogo a quello che si forma davanti ai caccia supersonici e dovuto al movimento del Sole nella galassia. Vi sono poi regioni gravitazionalmente legate al sole come la fascia di Kuiper e la nube di Oort, per cui è difficile stabilire cosa si intenda per confine del sistema solare. 

L'evento è comunque importantissimo: queste due sonde, frutto di  un periodo pioneristico e più favorevole alle missioni spaziali ed alla scienza in generale, hanno  fornito dati importantissimi sui pianeti, le lune e tutto il nostro sistema solare. Con una manciata di bit al minuto riescono ancora  trasmettere dati su una regione che probabilmente non sarà esplorata per almeno un secolo.

Una nota personale. Ho avuto l'onore di conoscere uno dei due autori dell'articolo, Frank McDonald, che ha progettato alcuni rivelatori delle Voyager, seguendole  dal loro lancio  e per tutto il  viaggio nel sistema solare. All'età di quasi novanta anni era ancora estremamente brillante ed attivo scientificamente ed avevamo collaborato per confrontare i dati di Pamela ad una unità astronomica (1AU intorno alla Terra) e quelli delle Voyager a 120 AU. E' deceduto lo scorso agosto, pochi giorni prima che la "sua" sonda fornisse questi altri importantissimi dati. E' venuto a mancare mentre stava tenendo  un seminario: per quanto la sua morte abbia rattristato tutti, è difficile pensare ad un modo migliore per continuare ad esplorare in spirito  l'universo.

I dati di Planck, il fondo cosmico a microonde ed il Big Bang

A quasi quattro anni dal lancio sono stati resi pubblici i primi dati sul fondo cosmico a microonde della sonda Planck. La precisione delle misure consente di determinare con estrema precisione la quantità di materia ordinaria, oscura, e di energia oscura nel nostro universo.  I primi risultati sono stati raccolti in una trentina di articoli che analizzano in dettaglio i vari risultati della missione. Alcuni dati mostrano piccole ma significative discrepante con i valori attesi, e potrebbero aprire la strada verso teorie più precise sulla nascita ed evoluzione del nostro universo.   

Che cos'è e dove si trova Planck? 

Planck è una sonda costruita dall'Agenzia spaziale Europea,  lanciata nel 2010 e  posta in orbita attorno al secondo punto di Lagrange, sul lato opposto della luna rispetto alla terra.  In questa maniera il calore del nostro pianeta non interferisce con le  le misure.

Che cosa misura?

E' un precisissimo termometro che misura la temperatura dell'universo. Questa è in media pari a 2.75gradi  Kelvin, ossia appena  tre gradi sopra lo zero assoluto.

Ogni oggetto emette radiazione elettromagnetica a seconda della sua temperatura; 
 intensità e  frequenza della radiazione emessa sono descritte dalla legge di Planck.

Sia la legge che il satellite sono intitolate al fisico tedesco che la propose 
per la prima volta nel 1900. 

La  formula poté essere derivata solo abbandonando la vecchia concezione 
della meccanica classica 

ed introducendo concetti propri della meccanica quantistica: 
storicamente fu uno dei colpi più duri al  meccanicismo dell'ottocento.

Spettro della radiazione elettromagnetica emesso dal sole (6000 gradi Kelvin) e da altri corpi a temperatura più bassa.
Il picco di emissioni è radiazione visibile ad occhio nudo (in realtà l'occhio umano si è evoluto per essere sensibile alle frequenze di maggiore intensità del Sole).

Le braci incandescenti del camino emettono luce tanto più bianca quanto più alta  è la temperatura.

Abbassando la temperatura le emissioni sono per lo più verso il rosso  (il colore dei carboni ardenti).

Anche il sole emette radiazione secondo questa legge, ad una temperatura di 6000 gradi Kelvin (la temperatura della sua superficie).

In tutti i casi viene prodotta anche radiazione infrarossa, che è quella che ci scalda. Anche gli esseri viventi emettono  radiazione, ma avendo  una temperatura di 37 gradi Celsius,  solo nell'infrarosso (ed è per questo che di notte siamo visibili solo con appositi sensori infrarossi).

Che cos'è la radiazione cosmica di fondo?

Come già accennato, lo spazio intergalattico si trova a 2.75 gradi Kelvin e quindi emette radiazione nelle microonde. Lo spettro - detto anche spettro di corpo nero - è una delle verifiche più accurate della legge di Planck e dell'esistenza del Big Bang.   Questa radiazione è stata emessa 13.78 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva solo 379,000 anni e si era raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni di essere catturati dai protoni, formando per la prima volta gli atomi di idrogeno. La temperatura e le frequenze emesse a quel tempo erano molto più elevate, ma l'espansione dell'universo le ha fatte scendere sino al valore attuale. 

Spettro della radiazione cosmica di fondo misurato dal pioneristico satellite COBE alla fine degli anni '80.

Ma allora che misura Planck?

Gli strumenti  misurano la temperatura e lo spettro della radiazione emessa in tutte le direzioni della volta celeste. La mappa mostra le fluttuazioni (minime, circa una parte su 10000) dal valore aspettato, in rosso sotto la media e in blu sopra la media. 

Analizzando l'ampiezza e le dimensioni delle oscillazioni è possibile risalire allo stato dell'universo nei suoi primi istanti di vita: se e  quanto fosse uniforme, come si sia scatenata l'espansione, quanta materia ordinaria ed oscura è presente in esso e così via.

Mappa di Planck delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo (da qui).
I puntini rossi rappresentano le direzioni del cielo dove lo spazio appare
leggermente più caldo, in blu dove è più freddo. La mappa è in coordinate galattiche
per cui la galassia (il cui contributo è stato rimosso) giace  su una riga orizzontale al centro dell'immagine.

I dati  di Planck confermano e raffinano le misure precedenti, mostrando come l'universo si sia espanso improvvisamente per poi proseguire la sua crescita in maniera più graduale, mostrando la presenza di fluttuazioni su grande scala maggiore di quanto previsto dai modelli originali. Lo studio delle implicazioni di queste misure devono ancora venire, ma è auspicabile che - assieme agli studi su LHC - possano aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica moderna: natura della materia oscura, significato dell'energia oscura, asimmetria materia-antimateria. Già fare un passo nella soluzione di uno di questi enigmi potrebbe aprire la strada a nuove teorie sulla natura del mondo. 

La distribuzione di materia ed energia nell'universo prima e dopo le misure attuali (da qui)