La Fisica Astroparticellare

1Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

Alcune domande “fondamentali”

• Perché la materia ha vinto, tanto tempo, fa la sua battaglia sull’anti-materia?

• Che cos’è la materia oscura che costituisce oltre il 90% della materia cosmica?

• Come funziona e come muore una stella ?

• E’ vero che i neutrini si trasformano nel loro viaggio nello spazio?

• Quali sono le sorgenti dei raggi cosmici?

2Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

L’acceleratore Cosmico

3

Il fascio dell’acceleratore cosmico funziona 7/7, 24/24, damiliardi di anni

32 ordinidigrandezzain flusso

13 ordini di grandezza in energia

DOVE?

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 4

I Laboratori Nazionali dell’INFN al Gran Sasso

5Laurea Magistrale in Fisica -

Curriculum Nucleare e Subnucleare

Fisica delle particelle

Astrofisica Cosmologia

n

Il neutrino : elemento nodale

6Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

Come muore una stella

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 7

SanduleakSanduleak --69 20269 202

Large Large MagellanicMagellanic Cloud Cloud

Distance 50 kpcDistance 50 kpc

(170.000 light years)(170.000 light years)

Tarantula NebulaTarantula Nebula

Supernova 1987ASupernova 1987A

23 23 FebbraioFebbraio 19871987

21/4/2010 8Laurea Magistrale in Fisica -Curriculum Nucleare e

Subnucleare

Laurea Magistrale in Fisica -Curriculum Nucleare e

Subnucleare

9

Energia e tempo deineutrini rivelati da 3 esperimenti inoccasione dellaSN1987A

Rivelazione di Neutrini da Supernova

con LVD @ LNGSne ne

nmnmnt nt

99% dell’energia disponibile (EB ~ 10

53 erg) è emessa sotto forma di neutrini

10Laurea Magistrale in Fisica -Curriculum Nucleare e

Subnucleare

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

tre “famiglie”

Quarks

bs

c

d

u t

tre neutrini

Leptonit

nmm

nee

nt

- Può il neutrino di una famiglia viaggiando nello spazio trasformarsi in quello di un’altra famiglia?

nm nt

11

M.C. Escher, Metamorphose III (1967-68), parte di una xilografia di

Possono cambiare identità: “oscillazioni” di

neutrino”

Un effetto di Meccanica Quantistica che si verifica se mn > 0La sorgente

produce

nmmiscuglio din1, n2 e n3

L’esperimento talvolta

vedead esempio

ntmiscuglio

“diverso” da nm

La propagazione di n1, n2 e n3

dipende dalla loro massa

Se mn > 0 il miscuglio cambia

Il “mescolamento” dei neutrini

13

GPS

Tflight = 2.44 msec

730 km

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

CERN

LNGS

Super Module Super Module

11Super Module 2Super Module 2

νννν

OPERA

ai Laboratori del Gran Sasso

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 4

Contatti per OPERA a Bolognadr. Laura Patrizii (patrizii@bo.infn.it)dr. M. Sioli (sioli@bo.infn.it)

Pb

Emulsion layers

;

;

1 mm

;-

Neutrino Experiment with SpectrometerS in Europe

SPECTROMETER(S) Prospects for a New

Neutrino CERN-PS Experiment:

15Luca Stanco - CdS Padova

Spectrometer

The Target coveragemust be as large as possible

FAR site

* Liquid Argon is the best optionas for- backgrounds- energy range- full measure of n interaction

16Luca Stanco - CdS Padova

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 17

Decadimento beta

Decadimento doppio β

n ¹ n (Dirac) o n = n (Majorana)

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

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 18

CUORE BolognaContatti

dr. S. Zucchellizucchelli@bo.infn.it

740 kg di TeO740 kg di TeO22

200 kg di 200 kg di 130130TeTe

La soluzione di questo mistero può modificare profondamente la nostra visione dell’Universo e avere un forte impatto sul Modello Standard del mondo subatomico

Il Lato Oscuro dell’Universo

Materia Oscura25%

Energia Oscura70%

H ed He liberi4%

Stelle0,5%

Neutrini0,3%

Elementi pesanti0,03% Non

conosciamo di cosa è fatto il

95% dell’Universo!

19

“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 dellamateria 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 èin presa dati al Gran Sasso

l’esperimento XENON al Gran Sasso

XENON a BolognaProf. G. Sartorelli(sartorelli@bo.infn.it)

21

Xenon1T in progetto,

in costruzione

dall’autunno 2012

21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica -

Curriculum Nucleare e Subnucleare

The future: XENON1T

LL’’AstronomiaAstronomia con con NeutriniNeutrini

nn EE’’ un campo di un campo di ricercaricerca molto molto recenterecente e molto e molto

promettentepromettente. ( . ( ricercaricerca di di sorgentisorgenti deidei RaggiRaggi

CosmiciCosmici))

p

;n

;

Fotoni: interagiscono con la materia e la radiazione

Protoni: (HE) interagiscono con la Radiazione cosmica di fondo (CMB) e sono deflessi da campi magnetici (se di bassa energia)

Neutroni: non sono stabili

Inconveniente dei “telescopi a neutrini:” sono necessari enormi rivelatori (~Gton)

21/4/2010 23

© F. Montanet

• 12 lines• 25 storeys / line

• 3 PMTs / storey

• 900 PMTs

~70 m

100 m

350 m14.5 m

Submarine links

JunctionBox

40 km toshore

Anchor/line socket

2500m depth

Tipico “telescopio” marino: ANTARES (Costa Azzurra)

21/4/2010 24

Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum

Nucleare e Subnucleare

•• Il neutrino Il neutrino èè rivelatorivelato attraversoattraverso la la luceluce emessaemessa al al passaggiopassaggio del del muonemuone prodottoprodotto nellnell’’interazioneinterazione del neutrinodel neutrino

un muone da 1.2 TeV che attraversa il rivelatore

LLL

Contatti ANTARES/NEMO a Bologna: dr. Annarita Margiottamargiotta@bo.infn.it

prof. Maurizio Spuriospurio@bo.infn.it

FUTURO : scala km3

Es. NEMO nel mar di Sicilia

Tipico “telescopio” marino: ANTARES ( nel mare della Costa Azzurra)

25

26

Dov'è finita l'antimateria primordiale?

Quali sono i componenti della massa invisibile dell'universo?

…ed altro

Un esperimento sulla Stazione SpazialeInternazionale,

Maggio 2011

AMS02

Contatti AMS Bologna

Prof. Andrea Contincontin@bo.infn.it

Prof. Federico Palmonaripalmonari@bo.infn.it

AMS

Alcuni link utili

21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 27

Siti Ufficiali degli esperimenti menzionati

http://operaweb.lngs.infn.it/http://www.bo.infn.it/lvd/http://crio.mib.infn.it/wigmi/pages/cuore.phphttp://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 riferimentoScienzaGiovane http://www.scienzagiovane.unibo.it/

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Ipotesi corrente: esistono particelle massive che interagiscono debolmente con la materia ordinaria

Rivelatori che vedano una interazione elastica di queste particelle con gli atomi che li costituiscono

I materiali sensibili ad es. sono gas nobili a bassissima temperaturaEsperimento XENON al Gran Sasso

Liquidi nobili, Xe, Ar, e Ne appaiono promettenti per la rivelazione delle WIMP

PMTs

Fiducial

volume

Shielding volume

g

g

g

W

W

Le proprietà del neutrino

0carica elettrica

“debole”interazione con la materia

???n ¹ n (Dirac) o n = n(Majorana)

recenti scopertema ancora molto lavoro

da fare

piccolissima ma > 0 : ?massa

“mescolamento” abbastanza ben conosciuto: manca prova definitiva?

Le Le sorgentisorgenti

AcceleratoriAcceleratori CosmiciCosmici

Big Bang Big Bang ((oggioggi 330 330 nn/cm/cm33))

ReattoriReattori NucleariNucleari

AcceleratoriAcceleratori di di particelleparticelle

AtmosferaAtmosfera TerrestreTerrestre

((RaggiRaggi CosmiciCosmici))

SoleSole

SupernovaeSupernovae((CollassoCollasso GravitazionaleGravitazionale))

CrostaCrosta TerrestreTerrestre

((RadioattivitRadioattivitàà naturalenaturale))

3021/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica -Curriculum Nucleare e

Subnucleare