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Oscar Adriani Firenze, 3 Luglio 2002
La Fisica dei Raggi Cosmici:Presente e Futuro
•Passato: un po’ di storia…
} • Materia/Antimateria• RC di altissima energia
•Presente•Futuro
I Raggi Cosmici nel passato
1900/1925: Studi pionieristici (Hess)•Radiazione altamente penetrante•Provenienza terrestre?•Radiazione γ (ultra γ)?•Radioattivita’ naturale?
1925/1930: Primi studi sistematici•Radiazione carica•Effetti geomagnetici: Polo/Equatore
Effetto Est/Ovest
Passato a Firenze
1928: Rossi, Bernardini, Occhialini (gruppo di Arcetri)Primi studi della radiazione cosmicaTecniche innovative di rivelazione
•Contatori Geiger•Circuito coincidenze•Magnete deflettore
Studio degli effetti geomagnetici
Tecniche ‘moderne’
Attenuazione dei RC Circuito di Coincidenza
1 m di Piombo!!!
RC Fisica delle particelle
Dal 1930 fino al 1950 i RC sono stati il principale (unico?) acceleratore a disposizione per la Fisica delle Particelle!!!
1927: scoperta degli sciami prodotti dai RC1932: e+
1937: µ +/-
1947: π +/-
1947/1953: Inizio della proliferazione degli adroni: K+, K0, Λ0, Ξ-, Σ+
A partire dagli anni 50 gli acceleratori hanno ‘preso il sopravvento’ (anche a Firenze!):•Intensita’ (Luminosita’)•Direzionalita’•Energia fissata•Riproducibilita’ Solo per la Fisica delle particelle,
non per l’Astrofisica!!!!
Ma….
Anni 90: ritorno ai RC
1. Energie in gioco
2. Collegamenti interdiscplinari • Fisica Nucleare• SubNucleare• Astrofisica
3. Nuovi mezzi tecnici • Grandi rivelatori• Satelliti
pp → X pEmE pcm 2≅
Energie elevatissime (>106 ELHC)
LHC Beam Energy LHC CM Energy
High Energy
Very High Energy
Ultra High Energy
7.2−∝Φ EDeviazioni da questa leggedi potenza nelle regioni del•ginocchio (3.1015 eV)•caviglia (5.1018 eV)
7.2−∝Φ E
3−∝Φ E
7.2−∝Φ E
Cosa sono i RC?
Radiazione elettromagnetica: RadioIRVisibileUVXγ
Particelle cariche: pe-
e+
Nuclei Antinuclei????
Particelle neutre: ν???
Onde gravitazionali
p
AstronomiaAstrofisica
RC
Cosa possiamo imparare dai RC?
Misure/Effetti sperimentali Informazioni FisicheSorgentiMeccanismi di accelerazioneMeccanismi di propagazioneMezzo interstellareTempo di confinamentoNucleosintesiCampi magneticiFisica del soleGeofisicaSimmetria materia/antimateria???Nuove particelle???Materia oscura???Nuove interazioni???Cosmologia???
Composizione: p ≅ 85%He ≅ 12%C,N,O ≅ 10-2
Fe ≅ 10-4
e- ≅ 2%e+ ≅ 10-4
Spettri energeticiComposizione isotopicaRicerche di antinucleiRicerche di nuove particelle
Modulazione solareTaglio geomagneticoFasce di radiazioneAtmosfera (23 X0, 11 λI)
410−≅p
2 campi di ricerca 1) Ultra High Energy Cosmic Raysattivi a Firenze 2) Antimateria nei RCnegli ultimi anni
Ultra High Energy Cosmic Rays
Studio della regione dello spettro nella zona della caviglia (E > 1017 eV)Flusso ≅ 1 evento / km2 / anno a 5.1018 eV!!! Flusso ≅ 1 evento / km2 / secolo per E > 5.1020 eV!!!
•Statistica limitata•Rivelatori enormi•Rivelazione di sciami estesi
Situazione sperimentale attuale
Almeno 5 esperimenti hanno osservato eventi con E > 1020 eV(Volcano Ranch, Haverah Park, Yakutsk, Fly’s Eye, Agasa)
10)(
100)(
20
19
10
10
≅
≅
∫
∫∞
=
∞
=
eVE
eVE
dEEN
dEEN
Eventi osservati da Agasa per E > 1019 eVin coordinate equatorialiDistribuzione angolare isotropa?
Piano galattico
Piano supergalattico
Eventi osservati finora
1019 eV
Problemi: che particelle sono?da dove vengono?meccanismi di propagazione?
Lunghezza di attenuazione ≅ 100 Mpc
E’ possibile fare varie ipotesia) Nucleoni e nucleib) Elettroni e fotonic) ν
1 pc = 3.3 ly= 3.1 1016 m
Protoni: •interazione con fotoni di CMB (2.7 K)•p + γ → ∆+(1232) → πN•Energia di soglia: 5.1019 eV •Cutoff GZK (Greisen, Zatsepin, Kuzmin)•Lunghezza di attenuazione ≅ 100 Mpc
Nuclei: •Fotodisintegrazione con fotoni di CMB (2.7 K)•Lunghezza di attenuazione ≅ 10 Mpc
Elettroni e fotoni:•Produzione di coppie con CMB•Scattering Compton•Lunghezza di attenuazione ≅ 10 Mpc
Neutrini: Lunghezza di attenuazione ≅ 40 Gpc
Neutroni: •Decadimento β•Range ≅ 1 Mpc (γ ≅ 1011)
Per E ≅ 1020 eV l’universo e’ opaco per tutti i RC tranne che per i ν
UHECR con E > 1020 eV: 1) ν?2) provengono da d < 100 Mpc?3) mantengono la direzionalita’?
Dimensioni del Virgo clusterNon hanno controparte ottica!
20 problema: da dove provengono?
• Non possono venire dalla nostra galassia
• E’ possibile identificare sorgenti convenzionali vicine??? Difficile!!!• Meccanismi Bottom-Up di aumento di energia???
accelerazione ‘tradizionale’???vincolo di Hillas!!!
• Meccanismi Top-Down??? (decadimento di particelle con m >> 1020 eV)
• Tutti i meccanismi prevedono anche ν
Linea tratteggiata: Emax = 1020 eVRaggio di curvatura < dimensioni acceleratore!
Potenziali sorgenti
Diagramma di Hillas
Anisotropia dei RC con E > 1018 eV
Piano galatticoCentro della galassia
AGASA
•Scarti rispetto alla media della popolazione degli eventi con E > 1018 eV•Evidenza significativa (4 σ) di anisotropia•Esistono sorgenti galattiche di RC con E ≅ 1018 eV?
Esigenza di nuovi esperimenti per chiarire la situazione sperimentale
Tecniche sperimentali ‘a disposizione’
Particelle cariche: AGASA Aeff ≅ 100 km2
Osservazione degli sciami da terraFluorescenza+Cherenkov diretta: Auger Aeff ≅ 3000 km2
Fluorescenza+Cherenkov riflessa:Air Watch / Euso Aeff ≅ 20000 km2
Osservazione degli sciami dal cielo
Auger
Air Watch/Euso
Approccio ‘dal cielo’
Vantaggi :1. Grande massa di atmosfera (1012 ton)2. Copertura di tutto il cielo3. Osservazione di luce Cherenkov riflessa 3.
Svantaggi :1. Duty cycle 10% (giorno/notte/luna/nuvole)2. Costo/complessita’ (1500 kg)
Soglia elevata (5.1019 eV)
Possibilita’ di osservare ν
Fisica dei ν di altissima energia: s(nN) = 0.1 µb•Astronomia a neutrini (direzionalita’)•AGN•GRB• ν da interazioni di RC primari
Antimateria nei RC
Problema cosmologico: simmetria/asimmetria materia/antimateria?
Studio dei raggi γ del decadimento dei π0 dall’annichilazione materia/antimateria
L’universo ‘vicino’ (supercluster di galassie) e’ fatto solo di materia
Volume ≅ 10-8 volume universo
2 ipotesi cosmologiche: 1. L’universo e’ simmetrico: materia e antimateria occupano dominii differenti2. L’universo e’ fatto solo di materia;
Condizioni di Sakharov:1. Violazione numero barionico2. Violazione CP3. Non equilibrio termodinamico
Investigazione diretta della antimateria nell’Universo: Ricerca diretta di antiparticelle nei RC!!!!
Nep ,, +
•Antiprotoni: produzione secondaria in interazioni p-pproduzione diretta con vari meccanismi
•Positroni: decadimento dei π+ secondariproduzione diretta con vari meccanismi
•Antinuclei: evidenza diretta di antigalassie (antinucleosintesi)!!!
Esperimento PAMELA
Situazione sperimentale attuale
PamelaTime of flight
system
Transition Radiation Detector
Permanent magnet
EM Calorimeter
Anticoincidence system
1.2
m
Silicon Tracker
Pamela Subdetectors
Time-of-flight
• Gives L1 trigger / detects albedos / particle identification (up to 1GeV/c) / dE/dx
• Plastic scintillator + PMT
• Timing resolution = 70ps
Si-W Calorimeter
• Measures energies of e±. ∆E/E = 15% / E1/2.
• Si-X / W / Si-Y structure.
• 22 Si / 21 W ⇒ 16X0 / 0.9λ0
• Imaging: EM - vs- hadronicdiscrimination. Reconstruct long. and transverse shower profile.
Anticoincidence system
• Defines acceptance for tracker
• Plastic scintillator + PMT
• Binary read-out
[Acceptance ~21 cm2sr]
TRD
• Threshold device. Signal from e±, no signal from p, π
• 9 planes of Xe/Co2 filled straws (4mm diameter). Interspersed with carbon fibre radiators ⇒ crude tracking.
• Aim: 102 separation e -vs-p (above 1GeV/c). NB: 106
with calorimeter.
Si Tracker + magnet
• Measures rigidity
• 5 Nd-B-Fe magnet segments (0.4T)
• 6 planes of 300µm thick Sidetectors
• ~3µm resolution in bending view demonstrated,ie: MDR = 740GV/c
Separazione p-e+-
Aspettative di Pamela
Antinuclei
Signature of Neutralino Annihilations
• Distortion of antiproton flux due to one possible model ofneutralino annihilation based on MSSM
• This model predicts signal for large E(antip) ⇒ high mass neutralino (~1 TeV).
• Note that signal >> background for E(antip) 20GeV
• Need to perform an experiment accumulate a high purity sample anti-protons
Contribution from neutralinoannihilation [P. Ullio, astro-ph/9904086]
Secondary production (background!)
Conclusioni•La Fisica dei RC e’ un campo estremamente vasto e di grande interesse
•Ha giocato un ruolo fondamentale nel passato
•E’ un campo multidisciplinare
•UHECR e Antimateria sono solo 2 degli aspetti principali (Firenze)
)
•Presente: grosse incertezze nella situazione sperimentale
•Futuro: molto lavoro da fare!