Raggi Cosmici: un po' di storia

Raggi Cosmici: diario di un viaggio Raggi Cosmici: diario di un viaggio tra astrofisica e fisica delle particelle tra astrofisica e fisica delle particelle

Lorenzo Perrone Lorenzo Perrone

Dipartimento di Matematica e Fisica Dipartimento di Matematica e Fisica Universit

Università del Salento e INFN Lecceà del Salento e INFN Lecce

Perchè studiare i Raggi Cosmici Perchè studiare i Raggi Cosmici

RC sono molto abbondanti in natura

~ 300 particelle/s/m² 20% della radioattività naturale

Racchiudono informazioni utili a svelare la natura di sorgenti astrofisiche galattiche ed extragalattiche e dei meccanismi di

produzione ed accelerazione di particelle

Strumento di indagine privilegiato per lo studio delle interazioni radiazione-materia fino ad energie inaccessibili persino ai

moderni acceleratori di particelle

Messaggeri di fisica potenzialmente nuova (materia ed energia oscura)

1896- 1903:

1896- 1903: Scoperta della radioattività naturale (H. Bequerel) e Scoperta della radioattività naturale (H. Bequerel) e studi della sua concentrazione (E. Rutherford)

studi della sua concentrazione (E. Rutherford) 1910:

1910: T. Wulf, utilizzando un elettrometro, effettua delle misure T. Wulf, utilizzando un elettrometro, effettua delle misure in cima alla torre Eiffel

in cima alla torre Eiffel

Il flusso diminuisce ma Il flusso diminuisce ma segnatamente meno di segnatamente meno di quanto ci si aspetta quanto ci si aspetta

Raggi Cosmici: un po' di storia

Raggi Cosmici: un po' di storia

Wulf Electroscope (1909)

+

+ +

6am August 7, 1912 Aussig, Austria

Victor F. Hess: the 1912 flight Victor F. Hess: the 1912 flight

Anche D. Pacini ipotizza sulla base di misure

effettuate sulla superficie del mare che l’origine del fenomeno non sia terrestre

6am August 7, 1912 Aussig, Austria

Victor F. Hess: the 1912 flight (5350 m) Victor F. Hess: the 1912 flight (5350 m)

I raggi cosmici provengono dallo I raggi cosmici provengono dallo

spazio (flusso aumenta con la quota) spazio (flusso aumenta con la quota)

D. Skobeltsyn: picture of cosmic ray

event in cloud chamber with B-field (1927)

1930:

1930: B. Rossi ipotizza l’esistenza di un effetto est-ovest dovuto al campo B. Rossi ipotizza l’esistenza di un effetto est-ovest dovuto al campo geomagnetico terrestre, qualora si tratti di particelle cariche

geomagnetico terrestre, qualora si tratti di particelle cariche 1932:

1932: Controversia tra Millikan (ipotizza che si tratti di fotoni) e Compton Controversia tra Millikan (ipotizza che si tratti di fotoni) e Compton (ipotizza che si tratti di particelle cariche)

(ipotizza che si tratti di particelle cariche)

Si tratta di particelle cariche Si tratta di particelle cariche

Radiazioni o Particelle?

Radiazioni o Particelle?

1932:

1932: Carl Anderson scopre il positrone nei RC 1934:

1934: Bruno Rossi misura particelle in coincidenza temporale a grandi distanze dal core, prima traccia di uno sciame

atmosferico esteso 1937:

1937: Neddermeyer and Anderson scoprono il muone 1938-39:

1938-39: Pierre Auger osserva per la prima volta uno sciame atmosferico esteso di energia 10^13-14 eV

1940’s:

1940’s: Numerose scoperte nel campo della fisica delle particelle elementari innescate da studi sui raggi cosmici (pioni e

particelle strane)

La fisica dei raggi cosmici: scienza interdisciplinare 1962:

1962: UHECRs osservati da Linsley e Scarsi

Quali Particelle?

Quali Particelle?

Pierre Auger

Pierre Auger

Possibili Sorgenti Possibili Sorgenti

AGN

Raggi Cosmici: sorgenti astrofisiche Raggi Cosmici: sorgenti astrofisiche

AGN radio-lobes:

(Rachen&Biermann,1993) AGN Jets:

(Norman et al.,1995) Cygnus A

(z=0.056, d≈210 Mpc

5 GHz image, ø ≈ 20 kpc)

3C 219 (FR II)

gamma ray image of

SNR RX J1713.7

accelerazione

Meccanismo di accelerazione di Fermi Meccanismo di accelerazione di Fermi

Concetto

Le particelle guadagnano energia attraversando un fronte di materia in moto. Si genera un'onda d'urto molto violenta (Supernovae shocks)

velocità tipica del fronte: Vs ~ 10⁴ km/s

Composizione chimica Composizione chimica

Energia ~ GeV

~ 79% protoni

~ 15% nuclei di elio

~ 5% nuclei più pesanti

~ 1% elettroni liberi

~ 10^-5 10^-4 antiprotoni

- prodotti da sorgenti galattiche

almeno a bassa energia

- isotropi

ma esistono misure di tracce di anisotropia a livello di 10^-3 al TeV

15

Acceleratori “naturali” sino a 10²⁰ eV

(i.e. 1000 volte l’energia raggiunta al CERN) - Sorgenti galattiche ed extragalattiche

- Meccanismi di accelerazione - Fenomeni di propagazione

Simulazioni di uno sciame Simulazioni di uno sciame

Hadrons Muons Electrons Neutrons

Monte Carlo Simulations

Hadrons Muons Electrons Neutrons

Monte Carlo Simulations

Cosmic Rays in the atmosphere Cosmic Rays in the atmosphere

Vertical flux of cosmic rays in the atmosphere with E > 1 GeV

Data points for measurements of negative muons

Muons dominate the flux of cosmic rays at sea level

~ 1-2 muons/cm

/min

produced at ~15 km

lose about 2 GeV along their path

<E> at ground ~ 4 GeV

angular distribution ∝ cos²

Neutrini: elusivi e onnipresenti Neutrini: elusivi e onnipresenti

Ogni secondo, un uomo è attraversato da:

- 100000 miliardi di neutrini provenienti dal Sole

- 50 miliardi di neutrini dalla radioattività delle rocce terrestri - da 10 a 100 miliardi di neutrini provenienti da tutte le centrali nucleari mondiali

- 10 milioni di neutrini provenienti dal Big Bang

- 1000 da interazione di raggi cosmici nell'atmosfera

Inoltre:

il corpo umano contiene circa 20 mg di Potassio 40, che è radioattivo:

Quindi emettiamo circa 340 milioni di neutrini al giorno!

I(θ) = I

cos

θ

Flusso dei muoni in funzione Flusso dei muoni in funzione

dell'angolo di zenit dell'angolo di zenit

verticali orizzontali

Energia

Spettro energetico Spettro energetico

E > 10

E > 10¹²¹² - 10 - 10¹⁴¹⁴ eV eV

Osservazione indiretta (sviluppo di sciami estesi in atmosfera)

EAS: extensive air showers

Particelle cariche e nuclei

atomici provenienti dallo spazio E < 10

E < 10^{12 12} - 10- 10¹⁴¹⁴eV eV

Osservazione diretta (es. satelliti)

Osservazione Diretta

Osservazione Indiretta

dN/dE

dN/dE ∝ ∝ ^{E E}

E > 10

E > 10¹⁵¹⁵ eV eV 1 particella/m

1 particella/m²²/anno/anno E > 10

E > 10¹⁸¹⁸ eV eV

1 particella/km2/anno 1 particella/km2/anno E > 10

E > 10²⁰²⁰ eV eV

1 particella/km2/secolo 1 particella/km2/secolo

γγ ^{~ 2.7~ 2.7}

L’Osservatorio Pierre Auger

Studio della radiazione cosmica di altissima energia (10¹⁷-10²¹) eV

Flusso ad E>10^19.5 eV molto basso 1 particella/(km2 sr secolo)

Apparato di grandi dimensioni:

3000 km2 (Pampa Argentina) 30 eventi/anno

L'esperimento Pierre Auger a confronto con il Salento

INFN LECCE

attivamente

coinvolto

L’Osservatorio Pierre Auger L’Osservatorio Pierre Auger

Emisfero Sud (3000 km²)

Malargüe (Mendoza) – Argentina

- Vasta regione pianeggiante

- Bassa densità di popolazione (scarsa illuminazione artificiale) ~~ 50 km

18 Paesi

63 Instituzioni

~ 350 partecipanti

Luce di fluorescenza Radiazione Cherenkov

pp FeFe

300pc

Raggio di Larmor per protoni con E>10¹⁹ eV maggiore o al più confrontabile con le dimensioni della galassia

Protoni di alta energia non sono Protoni di alta energia non sono confinati all’interno della Galassia confinati all’interno della Galassia ma sono probabilmente di origine ma sono probabilmente di origine

extragalattica extragalattica

ASTRONOMIA CON I RAGGI COSMICI ! ASTRONOMIA CON I RAGGI COSMICI !

Inoltre, poichè la deflessione dei raggi cosmici diventa sempre piu piccola al crescere dell’energia, la direzione di arrivo degli eventi punta alla sorgente

Protone, 10²⁰ eV, meno di 1 grado di deflessione su 1kpc (1 Mpc ) con B ~ 10^-6 (10^-9) Gauss

Propagazione alle alte energie

Propagazione alle alte energie

FUTURO

Spazio:

JEM-EUSO

Terra: CTA

Conclusioni Conclusioni

La fisica dei raggi cosmici

La fisica dei raggi cosmici è naturalmente interdisciplinare è naturalmente interdisciplinare (astrofisica, astronomia e fisica delle particelle elementari)

Molti problemi ancora aperti!

Molti problemi ancora aperti!

Origine e meccanismi di produzione non completamente svelati Origine e meccanismi di produzione non completamente svelati Composizione chimica alle energie estreme ancora controversa Composizione chimica alle energie estreme ancora controversa

Grande sfida tecnologica per il futuro

Dark matter, scenari esotici e fisica adronica studiati con le varie tecniche di misura, fino ad altissime energie, inaccessibili agli acceleratori

Contenuto dell'Universo Contenuto dell'Universo

Cosmic microwave temperature fluctuations Red regions are warmer and blue regions are colder by about 0.0002 degrees.

Data from:

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)

Il mondo a noi accessibile (particelle e radiazione elettromagnetica)

E' SOLO IL 5%!!

E il resto?

“ That isn't dark matter, sir - You just forgot to take

off the lens cap.”

Grazie a tutti!