La Scienza nelle Scuole EEE Extreme Energy Events Gian Paolo Imponente www.centrofermi.it/eee Obiettivi • Rete estesa di rivelatori nelle Scuole Superiori A regime: potenzialità di una scoperta di Fisica • In ogni Scuola: 1 “telescopio” per muoni/sciami (3 piani MRPC) • 2005: 7 città pilota (To, Bo, Frasc-Grottaf, Aq, Le, Ct, Ca) • 2005 Maggio-Giugno: (personale INFN/CFermi + Scuole) – CERN (Ginevra): costruzione – Frascati: rimanenti 1 2 MRPC MRPC • 2005 2006: 3 Scuole + 1 Sez. INFN telesc. /città Raggi cosmici di altissima energia • Sciami di raggi cosmici: coincidenza a terra • Coincidenza di primari fuori dall’atmosfera • Meccanismi di produzione/accelerazione: – sistemi astrofisici – processi “esotici” • La griglia di rivelatori – MRPC Cosa sono i raggi cosmici? •Inizio del XX secolo: radiazione misurata nell’ambiente molto superiore a quella attesa dalle sorgenti radioattive naturali • 1912 Victor Hess: contatore su pallone --- radiazione aumentava! “Cosmica” • Particelle sub-atomiche, con energie molto varie: 109-1021 eV Il flusso varia con l’energia: bassa migliaia /m2/s alta alcuni/Km2/secolo “facile” da misurare “difficile” La composizione è varia: •Protoni (soprattutto) carichi: deflessi da campi magnetici extra/galattici •Nuclei pesanti (fino all’Uranio) “pesanti”: deflessi meno • 0.1% fotoni (gamma) neutri: propagazione in linea retta (o quasi) Elettron Volt Radiazione Energia Fotone luminoso osservabile da un occhio 1 eV Raggi Ultra Violetti provenienti dal Sole, possono bruciare la pelle 10 eV X-Ray possono attraversare il corpo 1000 eV = 1 keV Gamma ray es. rivelabili dal telescopio Whipple 1012 eV = 1 TeV Raggi Cosmici di media energia 1015 eV = 1 PeV Raggi Cosmici di alta energia Raggi Cosmici di altissima energia Misurati 1020 eV = 100 EeV 3x1020 eV Questa è l’energia lanciando una palla da bowling su un piede dall’altezza di un metro! Energia abbreviazione 103 eV = 1,000 eV Kev = Kilo electron volt 106 eV = 1,000,000 eV MeV = Mega electron volt 109 eV = 1,000,000,000 eV GeV =Giga electron volt 1012 eV = 1,000,000,000,000 eV TeV = Terra electron volt 1015 eV = 1,000,000,000,000,000 eV PeV = Peta electron volt 1018 eV = 1,000,000,000,000,000,000 eV EeV = Exa electron volt 1021 eV = 1,000,000,000,000,000,000,000 eV ZeV = Zeta electron volt Come si studiano Energia 1. 2. Bassa energia, assorbiti dall’atmosfera – rivelatori su satelliti Media energia – piccole piogge in atmosfera Radiazione Cherenkov rivelata al suolo 3. Altissima energia: pioggia anche molto estesa (Km) Le particelle continuano ad interagire ed al suolo sono rivelate da una griglia di strumenti Tecniche differenti Sciami di raggi cosmici Sciame: un primario colpisce l’atmosfera jet di altre particelle secondarie (106/minuto) primario non si può vedere! Urti successivi con azoto e ossigeno pioggia Estensive Air Shower (EAS) p, N, e-, e+, g, n, X, … e-, e+, g, m+ , m- … Ad altissime energie: altissimo numero di particelle secondarie circa 109 arrivano al suolo, velocità c • DT di arrivo (GPS) • ricostruzione del m I rivelatori sono colpiti ad istanti successivi densità di particelle griglia di rivelatori (?) Intensità maggiore al centro alcune particelle si fermano solo molti metri sotto il suolo Muoni m- particelle elementari, •instabili, •traiettoria quasi parallela al primario, •percorrono Km e arrivano a terra prima di decadere (effetto relativistico) •massa 105 MeV (e:0,5 MeV) Da dove vengono Mah? Direzione 1. Particelle cariche: deflesse e accelerate dai campi magnetici galattici – accelerazione di Fermi -incertezza sulla direzione di provenienza 2. Fotoni: in linea retta – (es. Crab Nebula, AGN) Galattici correlazione con il piano galattico Extra-galattici isotropia Crab Nebula Nube di gas, residuo dell’esplosione di una supernova Cina July 4, 1054 A.D. AGN Nucleo Galattico Attivo Filmato della pulsar nella Crab nebula, visto dal telescopio spaziale Hubble Raggi cosmici di altissima energia • alla ricerca dell’origine • sono deflessi molto meno degli altri • Come? potrebbero puntare indietro alla sorgente •Molte ipotesi: sistemi binari di stelle, residui di supernove • Dove? •Meccanismi di accelerazione: tante ipotesi – Nuova Fisica: particelle primordiali super-massive •Regioni enormi/con campi magnetici intensi • a che distanza da noi? Galassia: Da più lontano Non più di 150 milioni di anni luce (galassie vicine) Radiazione cosmica di fondo perdita di energia non arriverebbero Record: 1 evento 3x1020 eV palla da tennis a 290 Km/h Il campo magnetico non riuscirebbe ad intrappolarli produzione vicino alla Terra Maggiore provenienza dal piano galattico Invece… •Provenienza isotropa (?) •Eventi di altissima energia (?) Radiazione Cosmica di fondo - CMB Nel modello cosmologico standard, l’universo è iniziato in una fase molto calda e densa - “Big Bang” – – – – Espansione e raffreddamento Radiazione: Penzias e Wilson 1965 Molto fredda: circa 3K lunghezza d’onda: microonde (mm, cm) Fotoni: 400/cm3 (1% rumore rivelabile con una tv) Uniforme nel cielo (1/10.000) Radiazione fossile del big bang Fase molto calda: plasma di fotoni e barioni= gas di materia ionizzata e radiazione fotoni/elettroni Raffeddamento: età universo 300.000 anni Gli atomi diventano neutri formazione idrogeno Forma di radiazione “perfetta” (esclude processi contingenti) Guardare la CMB = immagine dell’Universo all’età di 3x105y E’ densa nel cielo: i raggi cosmici interagiscono perdendo energia 3 min 300.000 anni 13-16 miliardi y Un po’ di cabala… Misura aggiornata: 2.725 +/- 0.001 Kelvin (Mather et al. 1999, ApJ, 512, 511). •Sembra sospettosamente e Kelvin (=2.718281828 K). •E’ il punto triplo dell’acqua diviso per 100 (=2.7315 K)? •Potrebbe essere esattamente 30/11 Kelvin (=2.727 K)? •O forse sqrt (15/2) Kelvin (=2.739 K)? •E invece (2 a /p )4 mec2/k (=2.762 K)? •O piuttosto (2/5) (aG me / 2 p mp)1/4 mpc2/k (=2.719 K)? •Addirittura (4/ p ) a-3 a G1/2 mpc2/k (=2.741 K)? •O ancora meglio 16 sqrt2 pa G1/4 mec2/k (=2.727 K)? •O in termini delle unità di Planck e-73TPl (=2.805 K), dove TPl= ((hbar)c5/G)/k ? •O trasformando in unità imperiali come la Lega (=3 miglia), che dire di hc/k µL (=2.98 K)? a= e2/4 pe 0 c(hbar) ; aG = G me2/ c(hbar) •Campi magnetici galattici Via Lattea Esempi di raggi cosmici in campi magnetici galattici Simulazione di raggi cosmici immessi casualmente nel disco galattico in rotazione Frecce=direzioni (variabili) del campo magnetico dovuto a distribuzione casuale di residui di supernovae colori= densità di raggi cosmici accumulati Densità di energia dei raggi cosmici al variare del campo magnetico (astro-ph/0402662) Come si rivelano Cosa ci aspettiamo di ‘vedere’ Confrontando le misure (numero di particelle, tempo di arrivo, posizione, direzione) con le simulazioni al computer si ricostruiscono le caratteristiche dello sciame 1017 eV Distribuzione dei telescopi Coincidenze di sciami distanti possibili meccanismi: • processi astrofisici “lontani” (Mpc, 1019 Km) • interazioni “vicine” (103-106 Km) •nuova Fisica … Il rivelatore MRPC • Multigap Resistive Plate Chamber Montaggio dell’MRPC Filo da pesca per spaziare i fogli di vetro avvolto sulle viti Striscioline di rame per raccogliere il segnale elettrico Obiettivi • Rete estesa di rivelatori nelle Scuole Superiori A regime: potenzialità di una scoperta di Fisica • In ogni Scuola: 1 “telescopio” per muoni/sciami (3 piani MRPC) • 2005: 7 città pilota (To, Bo, Frasc-Grottaf, Aq, Le, Ct, Ca) • 2005 Maggio-Giugno: (personale INFN/CFermi + Scuole) – CERN (Ginevra): costruzione – Frascati: rimanenti 1 2 MRPC MRPC • 2005 2006: 3 Scuole + 1 Sez. INFN telesc. /città