Post on 01-May-2015
I Messaggeri del Cosmo:
i raggi cosmiciE. FiandriniUniversita’ di Perugia & INFN Sezione di Perugia
Planetario “I. Danti”26 Gennaio 2011
Di cosa sono fatti i raggi cosmici? Mazinga Z ?
Raggi cosmici: un flusso continuo di particelle elementari cariche e neutre (p, He, Nuclei, e§, fotoni) che colpiscono la sommita’ dell’atmosfera dallo spazio esterno
L’ Universo e’ “IL LABORATORIO” in cui si possono osservare tutte le leggi della natura all’opera, spesso in condizioni limite che non
possono essere riprodotte all’interno dei laboratori terrestri
• Applicazione delle leggi note per descrivere fenomeni in condizioni estreme
• Scoperta di nuove leggi della fisica sulla base delle osservazioni sperimentali
Nuove leggi della fisica derivate dall’ osservazione astrofisica
OSSERVAZIONI
• Tycho Brahe misura il moto dei pianeti• Leggi di Keplero• Osservazione dello spettro delle stelle
(nane bianche)• Formula di Balmer• Perdita di energia per radiazione
gravitazionale in sistemi binari
LEGGI
• Keplero scopre le leggi del moto dei pianeti
• Newton: gravitazione universale
• Scoperta della serie di Balmer per l’atomo di idrogeno
• Teoria di Bohr dell’atomo
• Relativita’ generale di Einstein
Fisica dei raggi cosmici =
Fisica delle particelle
Hesse, Wulf, Wilson, Anderson, Bethe, Kohlorster, Millikan,
Blackett, Skobeltsyn, Rochester, Butler, Rossi, Pancini ,
Conversi, Powell, Occhialini ……
Avvento degli acceleratori
Storicamente..... nei raggi cosmici
Cosa impariamo dai raggi cosmici
Quali elementi ci sono nell’Universo
Da dove vengono
Come sono prodotti
Come si propagano fino alla Terra
Osservabili
Tipo di particella: CR carichi, , Composizione (quali elementi sono presenti nei RC)
Distribuzione di energia Flusso (# di part. Che colpiscono una superficie unitaria per
unita’ di tempo, di angolo solido e di energia)
Direzione di arrivo Anisotropia (puntare le potenziali sorgenti di RC)
Lo spettro energetico dei RC primari
Particles produced
by Sun
Galactic and extragalactic particles
• GeV = Giga elettronvolt
• 1 eV = 1.6021£ 10-19 Joule
Kin energy (MeV/Nucleon)
Lo spettro differenziale e' il numero di particelle che attraversano l'unita' di superficie per unita' di tempo, di angolo solido e di energia
~E-2.7
~E-3.0
~E-2.7
~E-3.3
1 TeV
TOT~10000 m-2s-1sr-1
• Misure dirette: 85% p, 12% He, »1% nuclei pesanti, »2% e§, antiprotoni + fotoni
• Si estende per 13 ordini di grandezza in energia
• Per 32 ordini di grandezza in flusso
• Legge di potenza su tutto lo spettro, con almeno due cambi di pendenza
Le energie più elevate
misurate sono E1020 eV
= Energia cinetica palla da
tennis @100 km/h
Le energie più elevate in gioco nei RC sono irraggiungibili agli
acceleratori
Man made accelerators
~E-2.7
~E-3.0
~E-2.7
~E-3.3
1 TeV
da informazioni sui processi di accelerazione alle sorgenti e di propagazione nel mezzo interstellare delle particelle
I Raggi Cosmici sulla Terra
• I RC bombardano continuamente la Terra: circa 100000 particelle originate dai Raggi Cosmici ci attraversano ogni ora.
• Questo contribuisce alla dose di radioattività ambientale a cui siamo continuamente soggetti.
Isotropia
• La direzione di arrivo dei RC da informazioni sulla loro origine
• I RC primari al di sotto di 1018 eV hanno una distribuzione di arrivo
completamente isotropa sulla sommità della nostra atmosfera.
Qualè il motivo?
Log E (eV) (%)
12 ~0.05
14 ~0.1
16 ~0.6
18 ~2
19-20 ~20+
minmax
minmax
II
II
• Se il numero e’ lo stesso in tutte le direzioni il flusso si dice isotropo
• Contiamo quante particelle arrivano da una data direzione del cielo
La Via Lattea
GalassiaGalassia disco di raggio R=15 disco di raggio R=15 kpc, kpc, spessore h=200-300 pc, spessore h=200-300 pc, contiene stelle, gas, polvere, campi contiene stelle, gas, polvere, campi magneticimagnetici
Campi magnetici galattici : B 310-6 G (campo geomagnetico 1 G, magnetino da frigorifero 100
Gauss)
Chandra X-ray image of Sgr A*
Confinamento dei RC
)/( GausseVZB
ErLarmor 300
1Usiamo i valori tipici del Usiamo i valori tipici del
campo B (3campo B (31010-6-6 G) per G) per protoni:protoni:
pccm
pccm
pccm
eVE
eVE
eVE
rL
30010
3.010
10310
)10(
)10(
)10(
21
18
415
18
15
12
Il raggio di Larmor dei p è sempre < dello spessore del disco galattico (300 pc) se E<1018 eV tutti i RC (meno quelli di energia estrema) sono confinati nel galassia dal campo magnetico sono di origine galattica
1 EeV = 1018 eV
B field direction
Il cammino dei raggi cosmici NON e' "liscio" e
continuo, ma e' assimilabile a un cammino casuale governato dalla
distribuzione casuale di radiazione, materia e campi magnetici nella galassia con cui essi
interagiscono
La direzione di arrivo dei raggi cosmici carichi NON punta alla sorgente che li
ha generati ma il loro flusso e' isotropo fino ad energie molto elevate
Isotropia
Log E (eV) (%)
12 ~0.05
14 ~0.1
16 ~0.6
18 ~2
19-20 ~20+
Punterebbero alle sorgenti ma ne arrivano troppo pochi (1 RC/km2/anno) per poter essere rivelati con precisione
Pierre Auger Collaboration 2007, Science, 318, 939Pierre Auger Collaboration 2008, APh, 29, 188
minmax
minmax
II
II
A bassa energia il flusso e’ completamente isotropo
I RC di energia piu’ elevata (<1018 eV NON sono di origine galattica poiche’ non posso essere contenuti dal campo
magnetico galattico e sono ANISOTROPI.La direzione dell’eccesso massimo e’ vicina a quella del
supercluster locale di galassie
Abbondanze degli elementi nella Galassia• Le abbondanze “primordiali”
degli elementi sono fissati dalla cosmologia:
24% (in massa) di 4He 76% (in massa) di H
• La nucleosintesi nelle stelle provvede alla sintesi degli elementi più pesanti
• Le esplosioni stellari hanno una vita media << all’età dell’Universo e provvedono a rifornire l’ISM
Abbondanze relative dei RC e del sistema solare (SSA)
J.A. Simpson, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 33 (1983) 323
H e He sono dominanti (98%), leggermente in difetto rispetto SSA
Buon accordo tra CR e SSA per molti elementi, in particolare C, O, Mg, Fe.
Elementi leggeri Li, Be, B e quelli prima del ferro Sc,V sono straordinariamente abbondanti nei RC rispetto SSA
Idea! Usiamo queste differenze per stimare quanto materiale attraversano i RC per arrivare fino a noi: es. misuriamo il rapporto B/C
Propagazione• Gli elementi del gruppo M(=C,N,O) sono gli elementi
candidati a produrre L(=Li,Be,B) durante la propagazione.• Il processo con cui gli M producono gli L è la spallazione,
urto con i protoni del mezzo interstellare (1 p/cm3)
Dipende dalle sezioni d’urto di reazione nucleare e dalla quantita’ di materiale attraversato
Quale quantità di materiale: =L (gcm-2) i nuclei M
devono attraversare per produrre, nel rapporto osservato, gli elementi L.
Spallazione = fissione nucleare
48 gr/cm2, equivalente a uno spessore di circa 50 cm di acqua
• Se il confinamento è dovuto al campo B Galattico, ci si aspetta che i RC più energetici attraversino meno materiale (piu’ le part hanno energia, piu’ vanno dritte);
• In tal caso, all’aumentare dell’energia ci si aspetta un valore del rapporto B/C che decresce: meno materiale attraversato
meno interazioni,meno spallazione di CNO, quindi meno Boro;. • Riusciamo a capire come la composizione cambia durante la propagazione
Dipendenza del rapporto B/C vs. E
6.0 Eo
Spettro dei RC alle sorgenti
• Il risultato appena ottenuto è estremamente importante, perché permette di avere informazioni sullo spettro energetico dei RC alle sorgenti.
• Poiché il flusso dei RC sulla Terra è stazionario, vi deve essere equilibrio tra:
– Spettro energetico misurato:
– Spettro energetico alle Sorgenti:
– Probabilità di diffusione:
)/()( 37.2 GeVcmergEE
)/()( ? GeVsergEEQ
)()( 6.0 sEE
dEVolume
EEQdEE
c
)()(
)(4 Conservazione del
numero di particelle
Spettro dei RC alle sorgenti
dEVolume
EEQdEE
c
)()(
)(4
Quindi, inserendo le dipendenze funzionali:
1.26.0
7.2
)(
)()(
EE
E
E
EEQ
Il modello che descrive le sorgenti di RC nella Galassia, dovrà prevedere una dipendenza con l’energia del tipo ~E-2.
Potenza delle sorgenti dei RC Il confinamento dei RC ci induce a sospettare che
le sorgenti siano di origine Galattica (tranne che per i RC di energia estrema).
Qual è l’energetica delle sorgenti? (necessaria per individuarle). Il tempo di confinamento dei RC: = 3107 y Volume della galassia (con o senza alone) :
3683
3662
10)10(3/4
106300)15(
cmkpcV
cmpckpcVAlone
G
G
Potenza richiesta per mantenere uno stato stazionario di RC:
s
erg
s
erg
s
cmVcmergwW
GA
CRCR
4177
126833
10)1015.3(103
)(106.110
)(
)()/(
Esiste un meccanismo con una potenza tale da sostenere il flusso dei RC nella Galassia?
Una esplosione di Supernova libera: 1051 erg/esplosione
La stima della frequenza di SN nella nostra Galassia è
fSN = 1/SN = 1/30 y-1
Potenza energetica liberata dalle SN:serg
s
ergWSN /10
1015.330
10 427
51
Perché il quadro sia coerente, occorre trovare un meccanismo che trasferisca »10% di energia dalle supernovae in energia cinetica di particelle (i RC)
Meccanismo di Fermi
NB: 1Mton =4.18£1019 ergLa bomba piu’ potente e’ di 50 Mton
Nel 1987 una supernova vicina ci ha fatto vedere la morte di una
stella massiccia
Al max, la sua luminosita’ e’ stata maggiore di quella della galassia ospite (Grande Nube di Magellano)
CasA Supernova Remnant in X-rays
Shock fronts
Esplosione = liberazione di energia in un volume limitato in tempo molto breve.Il gas caldo dei prodotti dell’esplosione si espande nel mezzo (aria nel caso di esplosioni in atmosfera, mezzo interstellare nel caso delle supernovae)L’espansione avviene a velocita’ supersonicaDavanti alla bolla in espansione si crea un’onda d’urto (blast shock wave) in cui il mezzo e’ compresso e turbolento
Tipiche V » 20.000 km/s ' 6% della velocita’ della luce!Tipiche velocita’ del suono nel mezzo interstellare 10-100 km/s
Diffusioni elastiche con il campo magnetico. A ogni diffusione la particella guadagna energia E = E. A ogni diffusione ha una certa probabilita’ P di sfuggire Dopo k diffusioni la particella ha
energia E = Eo(1+)k
Accelerazione di Fermi del primo ordine
koPNN
PkNN
BkEE
o
o
ln)/ln(
ln)/ln(
B
P
EE
NN
o
o
ln
ln
)/ln(
)/ln(
# di particelle con energia E
1)( EdE
EdN
vcl
vcl
v cos Campi magnetic
iScattering elastico
x
x
xx
x
x
x
x
xx
x
x
cV
cV
cVcV
B
P Taylor
3434
34
1ln
34
1ln
ln
ln1 21
E’ proprio quello misurato alle sorgenti! il modello rende
conto dei dati osservati
Dalla fluidodinamica (teoria degli shock)
Un modello giocattolo per il meccanismo di Fermi al I ordine
v vUrto n. Velocità nel lab
0 01 +2V2 -6v3 +14v….
Sommario
Accelerazione a E>100 TeVLe supernovae sono in grado di spiegare lo spettro dei RC fino a
energie di circa 1016 eVPer energie superiore occorre cercare oggetti astrofisici ancora piu’ estremi, come le magnetar, stelle di neutroni con campi magnetici di decine di miliardi di Tesla.O come le ipernovae, in cui il bucleo collassa direttamente in un buco nero
Raggi con E>1012 eV sono stati osservati , segno inequivocabile della presenza di particelle elementari di altissima energia che vengono prodotte, accelerate da onde di shock e decadono/annichilano nel jet espulso dal buco nero del sistema in accrescimento
• Stelle magnetizzate di neutroni (magnetar)
Sappiamo tutto?
Problem: UHECRs dovrebbero perdere energia quando essi viaggiano nell’ISM
Le interazioni con il CMB dovrebbero o distruggerli o rallentarli
Esiste un limite superiore sull’energia dei RC da sorgenti distanti: GZK cutoff p+°CMB ¢ ¼§, ¼o,…
…ma sono stati rivelati UHE RC con energie molto piu’ grandi di quelle che dovrebbero avere se vengono da lontano
Non conosciamo oggetti astrofisici che possano accelerare le particelle a energie cosi’ elevate
Ultra High Energy RC: il mistero
• Galassie in collisione
• Buchi neri supermassivi rotanti
• Gamma ray bursts
• Qualcosa di completamente nuovo, non ancora scoperto
Potential sources of UHECRs?
Altre possibili sorgenti di UHE RC: Decadimento/annichilazione di qualche particella sconosciuta o “fossili” cosmologici dal big bang Nuova fisica
Il mistero dei RC ad altissima energia
I fatti sperimentali: evidenza di componenti oscure nell’Universo
L’evidenza di componenti oscure nella densita’ di energia materia dell’Universo viene da molte osservazioni indipendenti a differenti scale
•Rotation curves of galaxies
•Lensing
•Large Scale Structure•CMB
•Galaxy clusters •SN Ia
GB, Hooper & Silk, hep-ph/0404175. Bergstrom, hep-ph/0002126. Jungman et al, hep-ph/9506380
Materia oscura
La distribuzione di velocità delle stelle della galassia non segue la distribuzione
della massa luminosa
Aspettato dalla sola materia luminosa
Osservato
Alone di materia oscura
La velocità di rotazione delle stelle a distanza R dal centro galattico dipende dalla massa nel volume di raggio R:
Vr=[GM(R)/R]1/2
Il 90% della massa totale della galassia e’ oscura
Ci DEVE essere un alone di materia oscura che
agisce solo gravitazionalmente
Energia oscuraLa legge di Hubble ci dice che la velocita' di
recessione delle galassie e' proporzionale alla distanza dall'osservatore
Con H0 ' 71 km/sec/Mpc
Recenti osservazioni della luminosita' delle supernovae Ia hanno mostrato deviazioni da questa legge l'universo ha accelerato la sua espansione
negli ultimi 5 mld di anni esiste una gravita' repulsiva
descritta dalla costante cosmologica delle equazioni di
Einstein, legata all'energia quantistica del vuoto (forse)
1- Eta’ dell’ universo 13.7 ± 0.1 (1%)£109 anni
2- 4% Materia visibilequella di cui siamo fatti noi
23% Materia oscuraMateria oscura sconosciuta sconosciuta
73% Energia oscuraEnergia oscura sconosciuta sconosciuta22
3- Universo e’ piatto e si
espandera’ per sempre
4- Costante di Hubble
71 ± 4 km/sec/Mpc (5%)
COSMOLOGIA DI PRECISIONEFISICA FONDAMENTALE
La materia ordinaria e’ solo una piccola frazione della massa-energia totale dell'Universo!!
Materia ordinaria4%
Materia oscura23%
Energia oscura73%
Terra, aria, acqua, fuoco
Quarks, leptoni,Materia oscura, Energia oscura
Una visione meno caritatevole
• Abbiamo misurato con precisione il contenuto di energia dell’Universo…ma non sappiamo di cosa sia fatto!
Modello standard delle particelle
12 particelle (+ 12 anti-part) + 5 bosoni di campo
Il modello standard della fisica delle particelle descrive soltanto il 4% della massa dell’Universo!
Elm
Nucl debole
Nucl forte
Gravita’
Elettro debole
Di cosa è fatta la Materia oscura?Materia oscura?
• Neutrini ? No! Escluso da esperimenti
• Materia sotto forma di Stelle nane, poco luminose e quindi non visibili ? no sono troppo poche.
• WIMPS , ovvero particelle massive poco interagenti (sono in corso ricerche agli acceleratori per produrle) ? potrebbero essere neutralini...le particelle supersimmetriche piu’ leggere
La ricerca sulla materia oscura è una delle sfide della Fisica Moderna
E ancora di piu' lo e' il mistero dell' energia oscura
MATERIA OSCURA : i candidati
Neutri : - privi di carica elettrica altrimenti interagirebbero e.m. - privi di carica di colore altrimenti potrebbero formare stati legati nucleari anomali
Debolmente interagenti con la materia ordinaria
Identikit:
Stabili e pesanti: altrimenti sarebbero già decaduti o sarebbero troppo pochi
Meccanismo di formazione e abbondanze fissati dalla cosmologia:
Freeze out quando viene raggiunta la condizione di uscita dall’equilibrio :
M.O. CALDA : se relativistici al momento del congelamento. mantengono lo spettro termico al disaccoppiamento
M.O. FREDDA : se non relativistici al momento del disaccoppiamento la popolazione viene congelata, e la densità si diluisce con l’espansione dell’Universo
Rivelabili (!) : un buon candidato deve essere anche rivelabile
Fisica delle particelle: La Supersimmetria
La “Supersimmetria” risolve molti problemi teorici ed introduce per ogni particella nota un compagno “supersimmetrico”
Putroppo fino ad adesso nessuna particella supersimmetrica e’ stata trovata…
Per ogni fermione (quindi materia) di spin 1/2, esiste un partner
supersimmetrico bosonico di spin 1 e viceversa: in questo modo c'e'
completa simmetria fra particelle e campi di forza
Ma se esistono non possono essere molto piu' pesanti di 100 GeV...non sfuggiranno alla ricerca a LHC
La Supersimmetria e la materia oscura
I neutralini previsti dalla teoria possiedono tutte le proprieta’ che la materia oscura deve possedere e forniscono in
maniera naturale l’abbondanza osservata di
materia oscura
Neutri : - privi di carica elettrica altrimenti interagirebbero e.m. - privi di carica di colore altrimenti potrebbero formare stati legati nucleari anomali
Debolmente interagenti con la materia ordinaria Stabili : altrimenti sarebbero già decaduti
Rivelabili (!) : un buon candidato deve essere anche rivelabile
Ams aprile 2011
Astrofisica
Cosmologia
Fisica delle particelle
Astrofisica delle particelle
• Le osservazioni astrofisiche, astronomiche e cosmologiche indicano in maniera netta che NON
comprendiamo la maggior parte del contenuto dell’Universo
• Abbiamo bisogno di nuovi modelli, nuove teorie e piu’ osservazioni
L’Universo non e’ piu’ strano di quanto immaginiamo ma e’ molto piu’ strano di quanto
possiamo immaginare