12 Aprile 1912: Victor Hess in mongolfiera per misurare i raggi cosmici

Oggi diamo per scontato che l'atmosfera della Terra è costantemente bombardata da raggi cosmici di alta energia provenienti da sorgenti molto distanti dal nostro sistema solare. Ma non è stato sempre così. Fu un giovane di 29 anni, fisico austriaco di nome Victor Hess, che ufficialmente "scoprì" i raggi cosmici, e che poi continuò la sua illustre carriera scientifica studiando gli effetti delle radiazioni sul corpo umano.

Nato in Austria nel mese di giugno 1883, Hess era il figlio del capo della guardia forestale per la tenuta del principe Oettingen-Wallerstein. Frequentò l'Università di Graz nel 1901 e conseguì il PhD a 23 anni. Hess inizialmente voleva studiare ottica con il famoso fisico Paul Drude, l'uomo che ha dato alla fisica il simbolo della velocità della luce "c". Tragicamente, Drude si suicidò poche settimane prima che Hess arrivasse.

Il giovane Victor accettò allora una posizione presso l'Università di Vienna studiando sotto Franz Exner, un pioniere nello studio delle radiazioni. Sotto la tutela di Exner, Hess iniziò a studiare la radioattività e l'elettricità atmosferica. Fu durante il suo lavoro come assistente presso l'Istituto per la Ricerca Radium presso l'Accademia Austriaca delle Scienze, che Hess fu incuriosito da frequenti rapporti di cariche elettriche rilevate all'interno di elettroscopi indipendentementi da quanto bene quei contenitori fossero stati isolati. Molti scienziati al momento ritenevano che la sorgente di ionizzazione fosse terrestre e che di conseguenza la ionizzazione misurata nell'atmosfera sarebbe diminuita allontandosi dal suolo.

Esperimenti preliminari con elettroscopi diedero le prime stime approssimative dei livelli di ionizzazione nell'atmosfera, ma i risultati sembravano indicare che i livelli di radiazione al contrario aumentassero oltre una certa altitudine. Per esempio, nel 1910, Theodore Wulf misurò l'ionizzazione sia a livello inferiore che a quello superiore della Torre Eiffel a Parigi, e scoprì che c'era molta più ionizzazione a 300 piedi (in alto) di quanto ci si aspettava, se questo effetto fosse attribuibile a sole radiazioni provenienti dalla terra. Altri scienziati montarono i loro strumenti su palloni aerostatici per registrare ionizzazione a livelli più alti, ma i loro risultati furono inconcludenti a causa di difetti di strumentazione.

Ipotizzando che forse la principale fonte di ionizzazione potesse essere il cielo, piuttosto che  la terra, Hess affrontò dapprima il problema di progettare strumenti che potessero sopportare le variazioni di temperatura e pressione alle alte altitudini. Egli determinò inoltre che le radiazioni provenienti dalla terra non avrebbe più dovuto produrre la ionizzazione a 500 metri di altezza.

Hess poi montò la strumentazione su un pallone e effettuò dieci distinte prove nel corso di tre anni (1911-1913), misurando i livelli di ionizzazione. Scoprì che se inizialmente la ionizzazione diminuiva con l'altezza, poi cominciava a risalire rapidamente. Ad un'altezza di diversi chilometri, la ionizzazione era parecchie volte superiore a quella sulla superficie terrestre. Hess ne concluse che "una radiazione di altissimo potere penetrante entra nella nostra atmosfera dall'alto".

Un altro indizio importante arrivò durante il volo di Hess il 12 aprile 1912, nel corso di una quasi totale eclissi del sole. Poiché la ionizzazione non diminuì durante l'eclisse, Hess concluse che la sorgente di radiazione non poteva essere il sole stesso, ma doveva essere in una ulteriore zona dello spazio. I risultati di Hess furono confermati nel 1925 da Robert Millikan, che chiamò le misteriose radiazioni "raggi cosmici". Hess condivise il Premio Nobel 1936 per la fisica per questa scoperta con Carl D. Anderson, che scoprì il positrone.

Nel febbraio 2010, il fisico italiano Alessandro de Angelis dell'Università di Udine ha pubblicato un documento sulla arXiv, sostenendo che la scoperta dei raggi cosmici non deve essere attribuita unicamente ad Hess. De Angelis ha evidenziato come un altro scienziato, Domenico Pacini, fece la stessa scoperta negli stessi anni. Pacini non ha utilizzato un pallone per misurare variazioni dei livelli di radiazioni nell'atmosfera. Invece, è "andato sott'acqua", ponendo il suo strumento in una scatola di rame che immerse nel golfo di Livorno. I suoi risultati: la radiazione misurata fu significativamente inferiore rispetto alla superficie, per cui la crosta terrestre non poteva essere la fonte dei raggi cosmici.

De Angelis ha tradotto in inglese i risultati di Pacini su questo esperimento, e ha sottolineato che Hess e Pacini conoscevano i loro rispettivi esperimenti. Allora perché ricordiamo Hess, e non Pacini? Un brutto scherzo del destino. Pacini è morto nel 1934 e il Premio Nobel non può essere conferito alla memoria. Così solo Hess è stato premiato per i raggi cosmici.

Due anni dopo il premio Nobel, i nazisti invasero l'Austria e Hess fu bruscamente licenziato dal suo posto come professore di fisica presso l'Università di Graz, in parte perché sua moglie era ebrea, e in parte perché era stato consigliere scientifico nel governo indipendente del cancelliere Kurt von Schuschnigg. Avvertiti da un amico ufficiale della Gestapo che lui e sua moglie sarebbero stati inviati in un campo di concentramento se fossero rimasti in Austria, la coppia fuggì in Svizzera.

Hess emigrò negli Stati Uniti per diventare un professore alla Fordham University. Partecipò ai primi esperimenti sul fallout radioattivo meno di un anno dopo la bomba atomica di Hiroshima, molti dei quali effettuati all'87° piano dell'Empire State Building a New York City. L'anno seguente Hess era nel sottosuolo di Manhattan a misurare la radioattività del granito in una stazione della metropolitana vicino Fort Tryon.

Insieme a William T. McNiff, Hess sviluppò "un metodo integrante raggi gamma" per la rilevazione di tracce minime di radio nel corpo umano, rendendo così possibile determinare se qualcuno era stato colpito da avvelenamento da radio prima che la sua situazione diventasse critica.

Anche dopo il ritiro dalla Fordham, Hess continuò a fare ricerca. Era profondamente interessato a creare una scala più accurata di quanta radioattività il corpo umano potesse tollerare, una cosa difficile da determinare, poiché gli individui possono tollerare livelli diversi, e perché gli effetti sono spesso cumulativi. Egli ha fortemente contrastato i test nucleari, affermando: "Sappiamo troppo poco di radioattività in questo momento per affermare definitivamente che testare sottosuolo o al di sopra dell'atmosfera non avrà alcun effetto sul corpo umano."

Hess morì il 17 dicembre 1964, ma la sua eredità vive ancora. Nel 2004, un osservatorio aperto nei deserti della Namibia per rilevare i raggi gamma da sorgenti cosmiche  è stato nominato l'High Energy Stereoscopic System (HESS) telescopio, in omaggio a colui che ha scoperto i raggi cosmici.