Diario di un viaggio cosmicoDiario di un viaggio cosmico tra astrofisica e fisica delle particelle tra astrofisica e fisica delle particelle

Lorenzo Perrone in collaborazione con il comitato Lorenzo Perrone in collaborazione con il comitato

organizzatore dell'International Cosmic Day 2014organizzatore dell'International Cosmic Day 2014

Dipartimento di Matematica e Fisica Dipartimento di Matematica e Fisica

UniversitUniversitàà del Salento e INFN Lecce del Salento e INFN Lecce

Perchè studiare i Raggi CosmiciPerchè 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. Scoperta della radioattività naturale (H. Bequerel) e studi della sua concentrazione (E. Rutherford)Bequerel) e studi della sua concentrazione (E. Rutherford)

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

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

Raggi Cosmici: un po' di storiaRaggi Cosmici: un po' di storia

Wulf Electroscope(1909)

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6am August 7, 1912 Aussig, Austria

Victor F. Hess: the 1912 flightVictor 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 rayevent 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 caricheSi 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 1013-14 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 AugerPierre Auger

Possibili SorgentiPossibili Sorgenti

AGN

accelerazione

Meccanismo di accelerazione di FermiMeccanismo 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

Raggi Cosmici: sorgenti astrofisicheRaggi Cosmici: sorgenti astrofisiche

AGN radio-lobes: (Rachen&Biermann,1993)AGN Jets: (Norman et al.,1995)

Cygnus A(z=0.056, d≈210 Mpc5 GHz image, ø ≈ 20 kpc)

3C 219 (FR II)

gamma ray image of SNR RX J1713.7

Composizione chimicaComposizione 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

Simulazioni di uno sciameSimulazioni 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/cm2/min

produced at ~15 km lose about 2 GeV along their path <E> at ground ~ 4 GeV angular distribution ∝ cos2

I(θ) = Iverticale

cos2θ

Flusso dei muoni in funzione Flusso dei muoni in funzione dell'angolo di zenitdell'angolo di zenit

verticaliorizzontali

Stanev, Cosmic Ray Physics

Energia

MISURA CHE EFFETTUEREMO OGGI

Spettro energeticoSpettro energetico

E > 10E > 101212 - 10 - 101414 eV eVOsservazione indiretta (sviluppo di sciami estesi in atmosfera) EAS: extensive air showers

Particelle cariche e nuclei atomici provenienti dallo spazio

E < 10E < 1012 12 - 10- 101414 eV eV Osservazione diretta (es. satelliti)

OsservazioneDiretta

Osservazione Indiretta

dN/dE dN/dE ∝∝ E E--γγE > 10E > 101515 eV eV 1 particella/m1 particella/m22/anno/anno

E > 10E > 101818 eV eV 1 particella/km2/anno1 particella/km2/anno

E > 10E > 102020 eV eV 1 particella/km2/secolo1 particella/km2/secolo

γγ ~ 2.7~ 2.7

Il Rivelatore ARGO in Tibet: un ponte tra lo spazio e I rivelatori di superficie

Site altitudine: 4,300 m a.s.l. ~ 600 g/cm2

Coordinates: longitude 90° 31’ 50” E, latitude

30° 06’ 38” N

INFN LECCE attivamente coinvolto

Show

er A

xis

Particle Shower

What is ARGO?Detector of “extensive showers” of particles

generated in the Cosmic Ray (protons, He nuclei, e, γ, ...) interactions with nuclei of terrestrial atmosphere.

Detector

Num

ber

of F

ired

Str

ips

(x1,t1)(xi,ti)

Shower Front

L’Osservatorio Pierre AugerL’Osservatorio Pierre AugerEmisfero Sud (3000 km2) Malargüe (Mendoza) – Argentina

- Vasta regione pianeggiante- Bassa densità di popolazione (scarsa illuminazione artificiale)- Condizioni atmosferiche favorevoli (scarsa piovosità)

~~ 50 km18 Paesi

63 Instituzioni

~ 350 partecipanti

Luce di fluorescenza

Radiazione Cherenkov

L'esperimento Pierre Auger a confronto con il Salento

INFN LECCE attivamente coinvolto

ppFeFe

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

extragalatticaextragalatticaASTRONOMIA 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

Propagazione alle alte energiePropagazione alle alte energie

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

FUTURO

Spazio: JEM-EUSO

Terra: CTA

ConclusioniConclusioni

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

Molti problemi ancora aperti! Molti problemi ancora aperti!

Origine e meccanismi di produzione non completamente svelatiOrigine e meccanismi di produzione non completamente svelati

Composizione chimica alle energie estreme ancora controversaComposizione 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'UniversoContenuto 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!

Resti di Supernovae e AGNResti di Supernovae e AGN

Muon spectrum at the surface Muon spectrum at the surface

vertical

75 deg

Spectrum and angular distribution derive from the interplay between decay and interaction processes of parent pions

At large angle high (low) energy pions (muons) decay before they interact (reach the ground)