La componente elettronica dei Raggi Cosmici -...

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Giorgio Sironi Dipartimento di Fisica G. Occhialini Universita` degli Studi di Milano Bicocca

La componente elettronica dei Raggi Cosmici

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1911 : scoperta dei Raggi Cosmici

•  a terra si osserva un flusso di circa 100 particelle/m2 sec sr

composto da e+, e-, µ+ , µ-, π+ , π- ,γ

•  salendo in quota composizione e flusso cambiano

come sarà il flusso che giunge sull’ atmosfera

dallo spazio esterno ?

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Sulla base di misure a quote via via crescenti con palloni sonda e soprattutto sulla base dell’

Effetto Est-Ovest

alla fine degli anni ’40 si giunge alla conclusione che i

Raggi Cosmici primari devono essere essenzialmente protoni con energie nella regione del GeV

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Parentesi su campo magnetico e particelle cariche in moto

FLorentz = q | VxB |

Fcentr = mv2/R

⇓

R = mv/qB = p/qB ⇓

P(eV/c) = 300 B(gauss) R (cm)

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•  Questi protoni devono dunque essere prodotti dalla materia ordinaria accelerando i nuclei dell’ elemento più abbondante in natura (l’ idrogeno)

•  meccanismo di acceleraziione (Fermi)

•  ma se si parte da materia ordinaria neutra ci devono essere anche elettroni tra i raggi cosmici primari

•  la ricerca effettuata da Bruno Rossi nel 1948 da esito negativo (limite superiore al flusso dell’ ordine del 1 % del flusso di protoni)

Perché non si vedono elettroni ?

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Primi anni ’50

I radioastronomi scoprono che

dallo spazio interstellare giunge emissione radio diffusa le cui caratteristiche

(intensità, spettro di energia, polarizzazione)

non sono riconducibili a fenomeni normali di emissione

Alfven, Herlofson e Ginzburg suggeriscono che si tratti di Radiazione di Sincrotrone

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La Radiazione di Sincrotrone

Scoperta negli anni ’40 dai fisici che realizzavano le prime macchine acceleratrici

Un elettrone “ultrarelativistico” (v~c o β~1) di energia E in moto in un campo B perde energia irraggia

•  P = a B2 E2 potenza perduta

•  radiazione e.m. polarizzata linearmente,

•  emissione in un cono molto stretto attorno alla direzione di moto dell’ elettrone

•  radiazione praticamente monocromatica f = b B E2

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Se l’ interpretazione è corretta

•  il mezzo interstellare deve contenere elettroni con energie nella regione del GeV quindi rivelabili tra i raggi cosmici

•  lo stesso mezzo deve essere permeato da campo magnetico con B~qualche micro Gauss

⇓

(ri)parte la ricerca di

•  elettroni tra i RC primari

•  evidenza (e misura) di campi magnetici nel mezzo interstellare

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Le prime misure di un flusso di elettroni tra i raggi cosmici primari arrivano agli inizi degli anni ’60

•  Earl (Minnesota) – 1960

•  Meyer e Vogt (Chicago) – 1960

•  Agrinier et al. (Milano – Saclay) – 1963

•  ……….

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Perché è difficile rivelare gli elettroni tra i Raggi Cosmici primari ?

elettrone protone

p+X → X’ + π +/-/o ..

π+/- → µ+/- + ….

µ+/- → e+/- + ….

πo → γ + γ + …..

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Poiché gli elettroni interagiscono molto più rapidamente dei protoni per “vedere”

•  protoni primari occorre andare a 10-15 km di quota (<100 g/cm2 di atmosfera residua)

•  elettroni primari occorre andare a 35-40 km di quota (< 3 g/cm2 di atmosfera residua)

Ricorso a strumentazione montata su palloni stratosferici o satelliti artificiali

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Per riconoscere gli elettroni in mezzo a tutte le altre particelle si sfrutta la loro capacità di produrre sciami eletromagnetici

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Anche osservazioni da satellite

Esperimento Milano-Saclay

S 209 sul satellite HEOS-A1

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Per misurare lo spettro di energia :

•  inizialmemte si sfrutta l’ effetto geomagnetico

p(Gev/c) = 15 cos4 λ

(λ è la latitudine geomagnetica del luogo di osservazione)

Ad es. in Nord Italia λ=45° → p > 4.5 GeV/c

a Trapani λ=38° → p> 8.2 GeV/c

nel sud dell’ India λ=0o → p > 15 GeV/c

•  col tempo si sviluppano ed usano anche spettrometri magnetici

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Risultato dei primi dieci anni di misure

N(E) dE = K E - γ dE

γ ~ 2.6

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Ma quale è l’ origine degli elettroni cosmici ?

•  Primaria (come i portoni)

→ e-

•  Secondaria (da interazioni di primari con il mezzo

interstellare)

→ e+ ed e-

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Per individuare il segno della carica occorre far passare le particelle in uno spettrometro magnetico

naturale artificiale

(effetto geomagnetico) (magnete)

Effetto Est – Ovest deviazione +/-

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→

Gli elettroni secondari sono il 30% del totale. Per produrli i protoni devono attraversare circa 4/g cm2 di materia e quindi vivere nella Galassia per circa 25

milioni di anni

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→

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Poiché:

•  da tutte le galassie anche le più lontane giunge radiazione di sincrotrone simile a quella prodotta nella nostra galassia

•  segue che in tutte le galassie sono presenti elettroni con caratteristiche simili a quelle che noi vediamo tra i raggi cosmici della nostra Galassia

è ragionevole ritenere che

il fenomeno “Raggi Cosmici” nonostante la sua apparente piccolezza (η ~ 1 eV/cm3 ) sia presente in tutte le galassie e

sia parte fondamentale del loro “funzionamento”

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Dal 2000 lo studio dei Raggi Cosmici e della sua componente elettronica è ripreso con vigore e con strumentazione avanzata (spettrometri super conduttori, nello spazio)

Al di sopra di 100 GeV è stato osservato un eccesso di positroni rispetto alle attese: è il possibile segno

• della presenza di “materia oscura” ?

•  di sorgenti “peculiari” di Raggi Cosmici ?

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Futuro ?

AMS sulla Stazione Spaziale ?

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Chi vivrà vedrà !

Buona fortuna ai giovani ricercatori: c’ è ancora molto

da studiare

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