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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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La componente elettronica dei Raggi Cosmici
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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