LM!in FISICA

Curriculum di Fisica Nucleare e Subnucleare

Corso di Laurea in FISICA

Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013

Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013

Presentazione del curriculum FISICA NUCLEARE e SUBNUCLEARE

della LM in Fisica

PROGRAMMA:

Presentazione generale, Piano Didattico G. Sartorelli

La Fisica Astroparticellare Laura Patrizii

La Fisica Nucleare Pietro Antonioli

La Fisica delle Alte Energie Fabrizio Fabbri

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LM in FISICA (LM-17) -- Curr. FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

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LM in FISICA (LM-17) -- Curr. FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013

  vasto ventaglio di tesi di laurea, anche con periodi di formazione all’estero   presenza in grandi e prestigiose collaborazioni. Ricerche di frontiera.   i gruppi di ricerca di Bologna sono su quasi tutte le linee di ricerca dell’INFN (seguiranno colleghi dell’INFN per un panorama delle attività di ricerca preminenti)

  Molto attivi anche nella comunicazione   Viviamo in stretto contatto con i colleghi INFN

  Facilità di contatti in Italia e all’estero per PhD e borse Postdoc dopo la LM

LM in FISICA (LM-17) -- Curr. FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013

  possibilità di lavoro non solo nella ricerca: preparazione in tanti campi: fisica, elettronica, DAQ, programmazione, GEANT, MC simulations, database (per grandi quantità di dati),………

VISITATE il sito dell’INFN (www.bo.infn.it)

LM in FISICA (LM-17) -- Curr. FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

Per saperne di più…

http://corsi.unibo.it/fisica-magistrale/

http://www.bo.infn.it

Prof. G.Sartorelli-Presentazione LM in FISICA-curr. Fisica NSN-15 aprile 2013

Fisica delle Particelle con acceleratori

Bologna, 15 aprile 2013

Fabrizio Fabbri Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Presentazione Laurea Magistrale in Fisica Curriculum di Fisica Nucleare e Subnucleare A.A. 2013-14

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Una panoramica sull’offerta didattica del curriculum e` gia` stata fatta.

Mio compito: dare un’idea dell’ambiente dove si puo` svolgere un lavoro di Tesi nel campo della Fisica Subnucleare con Acceleratori (Gruppo 1), e un’idea del tipo di argomenti che possono venire offerti all’interno degli esperimenti presenti nel nostro Dipartimento.

? elettrone

nucleo

protone e neutrone

quark

? A tutt’oggi non si hanno evidenze

sperimentali di ulteriori strutture interne

10- 8 cm 10-12 cm

10-13 cm

< 10-15 cm

< 10-15 cm

LEPTONI QUARK

1a famiglia

2a famiglia

3a famiglia

Sono stati individuati altri costituenti della materia che sembrano essere elementari

Al momento si ritiene che questi siano i “mattoni fondamentali” del mondo materiale. Le “vere” particelle elementari. Non ne sono stati scoperti altri (per ora).

Le centinaia di particelle scoperte a partire dagli anni ‘40 del secolo scorso, collettivamente chiamate Adroni (Mesoni e Barioni), sono interpretabili come stati legati di Quark tramite l’interazione forte.

4

Al momento conosciamo solo 4 Forze fondamentali tramite le quali i costituenti interagiscono fra loro

Forza gravitazionale Tutti

Forza debole Tutti Forza elettromagnetica Solo i costituenti dotati di carica elettrica Forza forte Solo i Quark

Tutte le strutture materiali che conosciamo, semplici o complesse che siano, sembrano essere interpretabili come il risultato delle interazioni fra i costituenti tramite queste 4 forze.

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Abbiamo una teoria fisica, il cosiddetto Modello Standard (MS),una teoria di campo quantistica relativistica, che descrive con successo in un solo quadro teorico comune, le teorie di campo quantistico dell'elettromagnetismo, dell'interazione debole e dell'interazione forte.

Con gli esperimenti in corso si punta anche alla scoperta di fenomeni nuovi, che portino a superare il Modello Standard. Un esempio sarebbe la rivelazione sperimentale di particelle Supersimmetriche (alcune delle quali sono candidate a costituire la materia oscura).

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Le ricerche attuali si propongono di giungere a una comprensione più profonda di alcuni aspetti del Modello Standard, per esempio il meccanismo con cui si genera la massa delle particelle. In questo senso la scoperta e lo studio delle proprietà del bosone di Higgs costituiscono un avanzamento decisivo delle nostre conoscenze.

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Altri esempi sarebbero la scoperta di nuovi segnali che diano ragione dell'asimmetria tra materia e antimateria nel nostro Universo, oppure ancora la prova dell’esistenza di ulteriori dimensioni spazio-temporali.

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Un programma di ricerca affascinante ed eccitante

che richiede grande organizzazione e grandi risorse.

Le attivita` di ricerca in Fisica Nucleare e Subnucleare sperimentale svolte all’interno del Dipartimento, sono promosse e finanziate dall’ INFN, un Ente Pubblico di Ricerca dotato di infrastrutture proprie (Laboratori Nazionali), personale Ricercatore, Tecnologo, Tecnico e Amministrativo proprio (dipendente) e associato (Professori, Ricercatori e Tecnici Universitari, Studenti e Borsisti)

20 Sezioni distribuite sul territorio nazionale 10 Gruppi Collegati (a Sezioni esistenti) 4 Laboratori Nazionali (Frascati, Gran Sasso, Lab. del Sud, Legnaro) 3 Centri Nazionali (CNAF, GSSI, TIFPA) 9

Le 5 linee di Ricerca dell’INFN

Gruppo 1 – Fisica Particellare Gruppo 2 – Fisica Astroparticellare Gruppo 3 – Fisica Nucleare Gruppo 4 – Fisica Teorica Gruppo 5 – Ricerca Tecnologica

L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)

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Una delle piu` grandi (circa 100 dipendenti e altrettanti Associati).

Risiede all’interno degli edifici universitari del Dipartimento di Fisica e Astronomia.

Dotata di Servizi autonomi, fra i quali un laboratorio di Elettronica, un servizio di Progettazione Meccanica e un’attrezzata Officina Meccanica, un servizio di Calcolo e Reti.

La Sezione di Bologna dell’INFN

A Bologna attivita` in tutte le 5 linee di Ricerca dell’INFN.

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Al momento le attivita` dei ricercatori di Gruppo 1 a Bologna sono concentrate quasi esclusivamente sugli esperimenti a LHC

ATLAS

LHCb

CMS

Lago Lemano

Aeroporto di Ginevra

CERN Sito di Meyrin (Svizzera)

SPS Anello di 7 Km LHC

Anello di 27 Km

CERN Sito di Prevessin (Francia) 12

Nel tunnel di LHC (27 Km)

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I 4 rivelatori principali a LHC

46 m x 25 m x 25 m – 7·000 Tonn. ≈ 3000 fisici – 169 istituzioni – 37 nazioni

21 m x 15 m x 15 m – 12·500 Tonn. ≈ 3000 fisici – 183 istituzioni – 38 nazioni

26 m x 16 m x 16 m – 10·000 Tonn. ≈ 1000 fisici – 109 istituzioni – 31 nazioni

21 m x 10 m x 13 m – 5·600 Tonn. ≈ 700 fisici – 51 istituzioni

ATLAS CMS

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Gli esperimenti ATLAS e CMS sono i due grandi esperimenti “multi purpose” di LHC. Anche se il loro scopo principale e` la ricerca del bosone di Higgs e la ricerca di “segnali” dell’esistenza di nuova fisica oltre il Modello Standard, i due rivelatori sono stati concepiti per essere in grado di studiare tutti gli aspetti della fisica prodotta nelle collisioni fra protoni di altissima energia.

ATLAS

CMS

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L'esperimento LHCb è dedicato alla fisica del quark 'beauty'. Lo scopo principale è lo studio della struttura del fenomeno di “mixing” nei quark e il ruolo che questo gioca nella violazione di CP, una possibile chiave interpretativa della asimmetria fra materia e anti-materia osservata nell’Universo.

La fisica subnucleare richiede apparati di grandi dimensioni ed estrema complessità.

Cosa vuol dire fare una tesi in uno di questi esperimenti ?

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Vuol dire potere

lavorare sulle applicazioni delle tecnologie più moderne nel campo dei rivelatori, dell’elettronica, dei sistemi di acquisizione dati e di calcolo. Adatto per gli studenti che amano le attivita` in laboratorio o direttamente sul rivelatore, che amano la tecnologia avanzata, fondamentale per la ricerca scientifica moderna

oppure elaborare i dati registrati dall’apparato sperimentale, analizzandoli con sofisticati strumenti software e partecipare in prima persona alla produzione dei risultati di fisica. Adatto per gli studenti che prediligono la parte “conclusiva” del processo di avanzamento della conoscenza scientifica.

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Il numero di tesi disponibili nei vari gruppi e gli argomenti proposti possono variare a seconda del momento, in funzione dell’interesse dello studente e in funzione delle sue competenze specifiche.

Tipicamente i 3 esperimenti offrono tesi originali sia su argomenti di tipo tecnologico

R&D, costruzione, assemblaggio, test di rivelatori di particelle Elettronica Progettazione e scrittura di software (per DAQ e DQM, per programmi di ricostruzione Off-line ecc.) Computing (GRID, Cloud ecc)

che su argomenti di tipo piu` prettamente scientifico:

Analisi fisica dei dati (misure di grandezze rilevanti, ricerca di nuove particelle ecc.)

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In tutti i casi, lo studente ha la possibilita` di apprendere tecnologie e/o tecniche avanzate utili anche in altri settori (ricerca applicata, industria, ecc.), di sviluppare senso critico e capacita` di operare autonomamente e in gruppo.

Ha l’opportunita` di interagire con un ambiente internazionale di altissimo livello, e la possibilita` di collaborare con fisici e ingegneri provenienti da istituti e laboratori di tutto il mondo.

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L’ambiente col quale si entrerebbe in contatto e` molto stimolante (ma anche competitivo), dove i giovani possono acquisire esperienze e conoscenze fondamentali, e dove e` possibile dare un contributo personale originale al progetto di ricerca sul quale si lavora.

In poche parole: ci si rende conto di persona di cosa voglia veramente dire fare ricerca sperimentale in questo campo.

In questo contesto i gruppi di Bologna partecipano con contributi di eccellenza e con incarichi di responsabilità nei più elevati livelli decisionali degli esperimenti.

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E infine, una opportunita` per studenti particolarmente motivati (e con un eccellente curriculum universitario, perche` la competizione e` molto grande)

Stage estivi nei maggiori laboratori internazionali di Fisica delle Particelle.

CERN (Summer Student Program) DESY (Summer Student Program) FERMILAB (Summer Student Program)

Programma di scambio di studenti estivi fra USA e Italia patrocinato dal DOE americano e dall’INFN. Permette a 11 studenti italiani di svolgere attivita` di ricerca per 2 mesi, durante l’estate, presso il laboratorio Fermi (Chicago) o presso il laboratorio SLAC di Stanford (CA).

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Abbiamo vissuto, e stiamo ancora vivendo, un momento particolarmente eccitante per il mondo scientifico.

Lo scorso 4 Luglio ha fatto scalpore, non solo nell’ambiente scientifico, l’annuncio, da parte degli esperimenti ATLAS e CMS, della scoperta di una nuova particella con una massa di circa 125 GeV che mostra le caratteristiche del tanto ricercato bosone di Higgs.

4 Luglio 2012 Seminario al CERN da parte dei portavoce degli esperimenti CMS e ATLAS con l’annuncio della scoperta.

Grande entusiasmo nella parte di comunita` scientifica riunita a Melbourne per la piu` importante conferenza dell’anno, in collegamento in diretta col CERN

E grande entusiasmo al CERN naturalmente, durante il seminario.

Vogliamo continuare a mantenere al massimo livello l’impatto scientifico che l’Italia da tanti anni ha in questo settore della ricerca di base.

Noi ci siamo…

E voi ?

I fisici italiani hanno giocato un ruolo di primo piano nella realizzazione degli esperimenti di LHC e nella scoperta del bosone di Higgs.

Back%up(transparencies(

Evento candidato H � γ + γ γ

γ

29

30

Evento candidato H � Zo + Zo � e+e-e+e-

31

Num

ero

di

even

ti

Fondo

Dalla misura dell’energia e dell’angolo fra i 2 fotoni (γ) si puo` calcolare la massa della particella prima del decadimento

M = 2 × √ E1 × E2 (1 – cos θ)

Eccesso rispetto al fondo

32

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

1!1 Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

Fisica!Astroparticellare!e!del!Neutrino!

Fisica

Astrofisica Cosmologia ν"

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

2!

Le!domande!

!  !Che!cos’è!la!materia!oscura?!(una%nuova%rivoluzione%copernicana?)%

!  C’è!antimateria!primordiale!nell’Universo?!!(ovvero%com’è%che%oggi%siamo%qui?)%

!  Quali!sono!le!sorgenti!dei!raggi!cosmici?!

!  Gli!istanti!finali!dell’evoluzione!stellare!!  La!natura!dei!neutrini!!!

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

3!

4 Laboratori Nazionali 30 Sezioni presso altrettanti Dipartimenti di Fisica (attività in stretto contatto con il mondo accademico)

Esperimenti principali: al CERN, ai LNGS, nello spazio, sotto il mare, a 4000 m di altezza, nella pampa argentina..

http://www.infn.it/ Le#Sezioni#e#i#

Laboratori#INFN#

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

4!Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

4

DOVE?!

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

5!

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

6!

Il#Modello#Standard#delle#particelle#elementari#

A d# o g g i# l e# s o l e#

indicazioni# di# Fisica#

o l t r e# i l# M o d e l l o#

Standard# provengono#

da l l o# s tud io# de l l e#

proprietà#del#neutrino#

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

7!

E’!il!neutrino!l’antiparticella!di!se!stesso?!

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

Decadimento beta

Decadimento doppio β

ν ≠ ν (Dirac) o ν = ν (Majorana)#

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare!

Esperimento#CUORE###

ai#Laboratori#del#Gran#Sasso#

CUORE Bologna Contatti dr. Stefano Zucchelli zucchelli@bo.infn.it

Ricerca#del#decadimento#doppioFbeta#senza#neutrini#

del#TeF130##

9

Oscillazioni dei neutrini

Un fenomeno che si verifica se m� > 0

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

10!

OPERA!!ai!Laboratori!del!Gran!Sasso!

GPS

Tflight = 2.44 msec

CERN

LNGS

ν"�

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 4

Contatti per OPERA a Bologna dr. Laura Patrizii (patrizii@bo.infn.it)

Ricerca di comparsa di neutrini oscillati

Oscillazione decadimento ντ µ-, h- ,e- interazione!del!ντ#

νµ ντ"τ �

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

12!12

  Obiettivo#principale#ricerca#di#sorgenti#dei#Raggi#Cosmici#

p

ν n

γ

Fotoni: interagiscono con la materia e la radiazione Protoni : deflessi da campi magnetici Neutroni: non sono stabili

L’Astronomia!con!Neutrini!

Neutrini:!bassa!sezione!d’urto!!enormi!rivelatori!(~Gton)!

•  12 lines •  25 storeys / line •  3 PMTs / storey •  900 PMTs

Submarine links

Junction Box

40 km to shore

Tipico “telescopio” marino: ANTARES a 2500 m di profondità (al largo di Tolone,Costa Azzurra)

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un!muone!da!1.2!TeV!che!attraversa!il!rivelatore!!

Contatti astronomia a Neutrini a Bologna: dr. Annarita Margiotta margiotta@bo.infn.it prof. Maurizio Spurio spurio@bo.infn.it

FUTURO :KM3 (rivelatore di 1km3) un sito probabile al largo della Sicilia

21/4/2010 14

Come muore una stella: Collasso gravitazionale

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 15

Energia e tempo dei neutrini rivelati da 3 esperimenti in occasione della SN1987A

νe νe

νµ νµ"

ντ ντ"

99% dell’energia disponibile (EB ~ 1053 erg) è emessa sotto forma di neutrini

Contatto LVD a Bologna: Prof. Gabriella Sartorelli sartorelli@bo.infn.it

Rivelazione!di!Neutrini!da!Supernova!!!LVD!@!LNGS!

Il!Lato!Oscuro!dell’Universo!

Materia Oscura 26,8%

Energia Oscura 68,3%

H ed He liberi 4%

Stelle 0,5%

Neutrini 0,3%

Elementi pesanti 0,03%

17

Ignoriamo#di#cosa#sia##fatto#il#

95%##dell’Universo#

Ipotesi corrente: esistono particelle non ancora scoperte che interagiscono debolmente con la materia ordinaria.

Forse è possibile rivelarle attraverso il loro urto con gli atomi della materia ordinaria, ma ci vuole un rivelatore molto sensibile e riparato dal “rumore di fondo” della radioattività naturale

tecnica “doppia fase” con Xenon liquido

Il rivelatore XENON100 !(100 kg LXe) !

è in presa dati al Gran Sasso!

!L’esperimento!XENON!al!Laboratorio!del!Gran!Sasso!!

18!

Contatto XENON Bologna Prof. Gabriella Sartorelli (sartorelli@bo.infn.it)

XENON 1T

In presa�

!AMS02!sulla!Stazione!Spaziale!Internazionale,!!

1!!!!!In presa dati da Maggio 2011. Primi risultati rilasciati Aprile 2013

21

Contatti AMS Bologna Prof. Andrea Contin contin@bo.infn.it

Urti!dei!raggi!cosmici!produzione!!di!e+!…!

Urti!di!Materia!OscuraDark!ulteriore!produzione!di!e+!

La ricerca indiretta della Materia Oscura

Questo contributo ulteriore può essere studiato molto bene da AMS

Altro Obiettivo primario Ricerca di Anti-materia Primordiale

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

22!

Alla ricerca dei neutrini “sterili”, ovvero neutrini che non hanno interazione

“debole” con la materia

Allo studio Un nuovo esperimento di neutrini al CERN

NEutrino SpectrometerS in Europe

Sono 3 e solo 3 le famiglie di neutrini?

NESSiE :

Neutrini sterili = Materia Oscura ?

2!Siti!:!Rivelatore!Vicino!a!!~!450!m!dal!bersaglio!!!!!!!!!!!!Rivelatore!Lontano!~!1600!m!Obiettivo:!“scoperta”!di!nuova/e!famiglie!di!neutrini!(o!definitiva!esclusione)!

Far Site (1600 m)

allo!studio!possibilità!di!un!!Fascio!di!ν!~!2!GeV!

Contatti NESSiE R&D a Bologna Dr. Laura Patrizii patrizii@bo.infn.it Prof. Maximiliano Sioli sioli@bo.infn.it Prof. Maurizio Spurio spurio@bo.infn.it

CERN – SPS –North Area

�

Near Site (450 m)

Alcuni link utili!

21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 24

Siti Ufficiali degli esperimenti menzionati

http://operaweb.lngs.infn.it/ http://www.bo.infn.it/lvd/ http://crio.mib.infn.it/wigmi/pages/cuore.php http://antares.in2p3.fr/ http://nemoweb.lns.infn.it/ http://xenon.astro.columbia.edu/ http://www.ams02.org/

Fisica Astroparticellare su http://www.bo.infn.it/

E un sito divulgativo di riferimento ScienzaGiovane http://www.scienzagiovane.unibo.it/

“Evidenza” della materia oscura…

Velocita’ di rotazione delle galassie a spirale!

“Ricerca” della materia oscura…

Ipotesi corrente: esistono particelle non ancora scoperte che interagiscono debolmente con la materia ordinaria.

Forse è possibile rivelarle attraverso il loro urto con gli atomi della materia ordinaria, ma ci vuole un rivelatore molto sensibile e riparato dal “rumore di fondo” della radioattività naturale

TERAMO

1979!A.!Zichichi,!Presidente#dell’#INFN,##propone!la!costruzione!di!un!laboratorio!sotterraneo!vicino!al!tunnel!autostradale!

I Laboratori INFN del Gran Sasso

Tunnel autostradale di 10.4 km

L’AQUILA

!!!Laura!Patrizii!! ! !!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!INFN!Bologna!

28!

Dove!si!trovano!i!neutrini?!

Possibili sorgenti di raggi cosmici e ν di altissima energia: (giganteschi acceleratori cosmici)

Sorgenti galattiche

← Residui di Supernove

Sistemi binari →

attorno a una Pulsar (stella di neutroni in rapida

rotazione) o a un Buco Nero

Nuclei Galattici Attivi

(quasars)

Buco nero gas e

polveri

disco di accrezione

jet di raggi

cosmici

Nube di gas

Sorgenti extra-galattiche