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