COMPOSIZIONE dei RAGGI COSMICI

COMPOSIZIONE dei

RAGGI COSMICI

Composizione dei Raggi Cosmici

Struttura della Composizione e' simile

alla composizione media del sistema solare con alcune IMPORTANTI ANOMALIE:

Elementi leggeri (Li, Be, B) [Z=3,4,5]

molto piu' abbondanti che nella media del sistema solare.

Anche elementi “sub-iron” (sotto il ferro)

come Titanio, Vanadio molto piu' abbondanti.

Effetto Pari/Dispari meno marcato

Abbondanze dei differenti Nuclei

nella Materia Ordinaria del Sistema Solare:

Nucleosintesi primaria

NucleoSintesi nelle Stelle

Z

H 1 He 2 Li 3 Be 4 B 5 C 6 N 7 O 8

Elementi “saltati”

dal processo principale della

nucleosintesi [3  Carbonio + 

Elementi “originali” nati dalla nucleosintesi primaria 

Elementi “generati” dalla nucleosintesi [3  C + 

 C  O 

Nucleosintesi dal Big Bang (BBN)

Poco minuti dopo il Big Bang si formano p, n (ed e

).

I n isolati decadono n-> pe

 ( 

~885 s)

In dipendenza dalla T e n

e alcuni parametri di fisica delle particelle (come N

) parte dei neutroni si unisce a p:

p+n →

D +  MeV) (fragile, brucia facilmente) D+n →

T +  (Radioattivo  ~12 y)

D+p →

He + 

3

T + p →

He + 

3

He + n →

He + 

A=5 non ha nuclidi nemmeno radioattivi)



3

He +

He →

Be+ 

3

T +

He →

Li+ 

EC:

Be + e

→

Li +  A=8 non ha nuclidi (nemmeno radioattivi):

BBN si ferma: Be e B praticamente assenti

(molti OdG meno di

Li )

Nucleosintesi nelle stelle

Nelle stelle sono creati gli elementi più pesanti fino al Fe-Ni A seguire la reazione pp che trasforma 4p →He (2e

2  )

ad alta T si innesca la catena  :

 ->

Be +  ->

C

successivamente a T più elevata

12

6

C +  ->

O

16

8

O +  ->

Ne

20

10

Ne +  ->

Mg

24

12

Mg +  ->

Si

36

18

Ar +  ->

Ca

28

14

Si +  ->

Ar

40

20

Ca +  ->

Ti

44

22

Ti +  ->

Cr

48

24

Cr +  ->

Fe

52

26

Fe +  ->

Ni

Poi

Ni decade in

56

27

Co e poi in

Fe

Ulteriori  sottraggono

energia

Energia di legame per nucleone vs A

Effetto dei Processi di “SPALLAZIONE”

(“SPALLATION”)

Frammentazione di un nucleo relativistico in un urto con

protone (od un altro Nucleo)

A + p → A ₁ + A ₂

E

(A) = A E

E

(A

) = A

E

E

(A

) = A

E

In spallation processes

the energy per nucleon

is roughly conserved

Path length of cosmic rays

The existence (and the relative importance) of the secondary nucleons is an indication that the cosmic rays have crossed a certain amount of column density of order

of 1 interaction length 



 52 g cm



  g cm

X  g cm

Propagation of Cosmic Rays in the Galaxy

For a theoretically well motivated

study of the propagation one should consider

the DIFFUSION of Cosmic Rays in the Galactic Magnetic

Field.

Propagation in a Random Field

Described as

Diffusion

1-Dimension

3-Dimension

Diffusion

Coefficient D

Partial Differential

Equation describing

Diffusion

N(E,x,t) = Density of Cosmic Rays

of energy E at position x and time t

Source Diffusion Interactions

Volume containing Magnetic Field

Particles exiting the Volume are “lost”

[Neglecting Energy Losses]

LEAKY BOX MODEL

Source Escape

Homogeneous Model Drop

the x dependence

Neglect

interactions

Hypothesis

of stationarity:

Hypothesis is good

if 

<< T

Hypothesis of STATIONARITY

Note: The observed spectrum has a different form

from the injected spectrum

Escape

or Interaction ?

Propagation of a “Secondary Nucleus” that is a particle so rare (like Li, Be, B) that the direct acceleration is

negligible, that is the source term is zero.

For simplicity we can assume a generic secondary nucleus S that is produced only by a single

primary nucleus P by spallation

Direct

Source Escape Spallation of primary Source

If the source Q

term is zero



(E)

Ratio Primary/Secondary measures the product

Mean Free Path of

CR in the Galaxy

ism

ism

c

X

= l



^(g/cm

⁾

Boron/Carbon Ratio

Escape Length   (g cm ^­2 )

X

X

Lithium from AMS

Source Spectrum

of Galactic Cosmic Rays

The spectrum of Cosmic Ray

at the accelerator has the form E ^

With   = 2 - 2.2

Determination of the Escape Time Use of COSMIC CLOCKS

Isotope Be-10 Half-time : 1.6 * 10

years Comparison with Be-9 (stable isotope)

-1



/ 

da e.g. B/C; si deduce 

/ 

e quindi 

infine si deduce <n

>

Beryllium-10 Measurements

Results on escape time

The escape time are consistent with being ~1.5x10

y and <n

> ~ 0.2-0.3 n/cm

Galactic density of ISM medium: <n

> ~ 1.0 n/cm

.

I raggi cosmici si muovono in un volume più vasto

del piano galattico

NEED for an EXTENDED COSMIC RAY HALO

Emission of Synchrotron emission from our Galaxy