La Radiazione Cosmica di Altissima Energia - INFN - Napoli

La Radiazione Cosmica di
Altissima Energia
B. D’Ettorre Piazzoli
Dipartimento di Scienze Fisiche, Università “Federico II”, Napoli
IDIS - 9 Feb. 2005
B. D'Ettorre Piazzoli
1
I Messaggeri Cosmici
Lo studio dell’Universo viene condotto grazie a
4 differenti messaggeri
• Fotoni
Radiazione elettromagnetica
• Raggi Cosmici
Nuclei e particelle carichi
• Neutrini
Particelle neutre
• Onde Gravitazionali
Non ancora osservate
Per comprendere a fondo l’Universo bisogna saper
rivelare tutti i diversi messaggeri !!
… per fare ciò ci vogliono “occhi adatti”…
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2
Lo Spettro Elettromagnetico
Quello che vediamo noi…
…Ma c’è di PIÙ
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3
Guardare l’Universo con “nuovi occhi”…
Osservare l’Universo con “nuovi occhi” consente di
scoprire della nuova Fisica e quindi dei nuovi fenomeni…
Differenti immagini della Nebulosa del Granchio
Pulsar
Radio
Infrarosso
Ottico
Raggi - X
Le osservazioni a diverse lunghezze d’onda
rivelano dettagli invisibili nell’ottico.
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4
L’Universo
L’Universo è composto da Stelle raccolte in Galassie
1011 Stelle
per
1011 Galassie
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5
Cos’è una Galassia ?
Distanza Terra – Sole = 150 000 000 km = 1 Unita’ Astronomica (A.U.)
La luce del Sole (v = c = 300 000 km/sec) impiega 8 minuti a giungere
sulla Terra
1 anno-luce = 9.5 x 1012 km
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Cos’è una Galassia ?
Distanza tipica tra Stelle in prossimità del Sole
Il sistema solare e’ troppo piccolo per essere visto in questa scala
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7
Cos’è una Galassia ?
Galassia = insieme di Stelle, Gas e Polveri
tenute insieme dalla Gravità
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8
Esistono molti tipi di Galassie…
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9
Esistono molti tipi di Galassie…
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10
Stella tipica: il Sole
by SOHO
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Eruzioni Solari
by SOHO
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12
La Struttura del Sole
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L’equilibrio di una Stella
La stabilità di una Stella è conseguenza dell’equilibrio
tra l’energia rilasciata nel processo di Fusione Nucleare
e quella Gravitazionale.
Durante tutta la vita di una stella queste
2 forze determinano le condizioni di
equilibrio e gli stadi evolutivi.
Gravità IN
Durante il processo di Fusione
Nucleare vengono bruciati in
successione nuclei di tutti gli
elementi chimici a partire
dall’Idrogeno.
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Pressione OUT
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Da dove proviene l’energia ?
Quando la temperatura raggiunge circa 15 milioni di
gradi inizia la Fusione Nucleare al centro di una stella
4 atomi di Idrogeno si fondono e producono 1 atomo di Elio
4 (1H)
4He++2 2e+e+++2 2neutrini
14He
neutrini + energia
Ma da dove proviene l’energia ?
Dal fatto che la massa di 4 atomi di 1H è
maggiore della massa di 1 atomo di 4He
E = mc2
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Evoluzione di una Stella
Una stella di grande massa brucia elementi sempre più pesanti, ma si
deve fermare al Ferro perché questo è l’elemento più stabile in natura.
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L’inizio della fine…
Quando l’Idrogeno si è esaurito
• la gravità non è più bilanciata
• la contrazione ed il riscaldamento continuano
• inizia il bruciamento di elementi più pesanti
• l’energia cinetica del collasso viene convertita
in calore e gli strati esterni si espandono
• la stella può esplodere
Supernova
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Supernovae
Le stelle piú grandi finiscono la loro vita con una
spettacolare esplosione e diventano Supernovae
Puff!
Bang!
Bang!
La sorte di una stella dipende dalla sua massa.
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Supernova 1987a
nella Grande Nube di Magellano
Prima
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Dopo
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Stella come Laboratorio
Le stelle sono importanti perché si comportano come
laboratori che sintetizzano i differenti elementi chimici
Quando una stella muore questi elementi
vengono distribuiti nell’Universo
Una parte e` accelerata alle alte energie  Raggi Cosmici
Il gas interstellare viene
compresso dall’onda generata
dall’esplosione della Supernova,
favorendo la nascita di nuove
stelle che si formano in un
mezzo arricchito di elementi
chimici pesanti.
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Cosa sono i Raggi Cosmici ?
Sono particelle che provengono dallo spazio con velocitá
prossime alla velocitá della luce (300.000 Km/sec).
Formano una sorta di “pioggia” che
bombarda senza sosta la nostra
Terra da ogni direzione.
Fuori dall’atmosfera terrestre su
ogni metro quadrato cadono circa
30000 particelle ogni secondo !!!
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Quali Particelle formano i Raggi
Cosmici ?
I raggi cosmici sono nuclei di atomi di
materia ordinaria.
elettrone
L’atomo piú comune nell’ Universo é
l’atomo di Idrogeno.
Il suo nucleo é costituito da un protone.
nucleo
(protoni + neutroni)
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Breve storia dei Raggi Cosmici
1912
Il fisico austriaco Victor Hess
compie dei voli in pallone a 5000
metri con degli elettroscopi per
scoprire l’origine delle
misteriose particelle che
sembravano pervadere
l’atmosfera e che si ipotizzava
provenissero dalla Terra.
Scopre invece che più si sale di quota e più queste particelle aumentano
e ne deduce che le particelle devono arrivare dallo Spazio, oltre il Sole.
… prende vita la fisica delle particelle elementari …
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L’energia dei Raggi Cosmici
L’energia dei R.C. si misura in elettron-volt
La luce = radiazione elettromagnetica
costituita da fotoni di energia
pari a circa 1 eV.
V = 1 Volt
eE = 1 eV
I R.C. sono particelle con energie che vanno dai milioni di eV
(MeV) fino a 100 miliardi di miliardi di eV (1020 eV) !!!!
Queste sono energie così elevate che non si
riescono a raggiungere sulla Terra neanche
con gli acceleratori più potenti.
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Lo Spettro dei Raggi Cosmici
1 p/(m2sec)
Origine Galattica
Knee
1 p/(m2y)
Origine Extra-Galattica
1 p/(km2y)
Fino a 1020 eV !!!
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Il “Modello Standard” dei R.C.
ginocchio
Origine Galattica: fino
al “ginocchio” i R.C. sono
prodotti da sorgenti nella
nostra Galassia (SNR).
Origine Extra-Galattica: i
R.C. di più alta energia sono
prodotti in altre Galassie.
Cosa accelera i R.C. fino a
queste elevate energie ?
caviglia
Esistono sistemi astrofisici particolari che
sono dei veri e propri “Mostri del cielo” !!!
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Supernovae:
acceleratori di Raggi Cosmici ?
L’esplosione delle Supernovae accelera i nuclei (dall’Idrogeno
fino al Ferro) prodotti nel corso della vita delle Stelle.
Queste particelle sono i Raggi Cosmici di origine Galattica
I R.C. sono un “gas” che permea tutta la Galassia.
Galassia = “bottiglia magnetica” che
confina i R.C. per milioni di anni.
Il Sistema Solare si muove in questo gas.
R
1 parsec = 3.3 anni-luce = 3.1 1013 km =2 105 A.U.
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E
Z B
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Abbondanza degli elementi
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Altre sorgenti dei Raggi Cosmici
Alle basse energie:
il nostro Sole
Alle alte energie:
Esplosioni di Supernova
Ad altissime energie:
Buchi neri, gamma-ray bursts, oggetti
sconosciuti dell’Universo....... ?????
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I Nuclei Galattici Attivi
Buco Nero
M 87
Cygnus A
Sono Galassie con un Buco Nero
al centro e con 2 jets simmetrici
di materia.
(60 milioni di anni-luce)
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I Nuclei Galattici Attivi
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Perche’ si studiano i Raggi
Cosmici ?
Lo studio dei Raggi Cosmici fornisce dati sperimentali
che permettono di formulare modelli sulla struttura e
sull’evoluzione dell’Universo.
Consentono di indagare oggetti astrofisici
“particolari” (stelle binarie, buchi neri, pulsars, …).
Inoltre, negli urti ad altissima energia delle particelle
primarie con i nuclei dell’atmosfera si possono
studiare studi sulle interazioni tra particelle
elementari ad energie non raggiungibili con gli
acceleratori.
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Particelle cariche dal cosmo
• Protoni, particelle , nuclei pesanti
• Nessuna anisotropia significante è stata osservata
(“ben mescolata” dal campo magnetico della Galassia)
• Energie oltre 1010 eV provengono dalla nostra Galassia
(N.B.: gli schermi di TV e PC usano fasci di elettroni di 103 eV
• Energie oltre 1018 eV sono di origine extragalattica
• L’intensità diminuisce rapidamente con E (secondo E-2.7):
Energia
Intensità
1010 eV
1000 per m2 per sec
1012 eV
1 per m2 per sec
1015 eV
1000 per m2 per anno
1019 eV
1 per km2 per anno
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L’energia più alta rivelata
è ~1020 eV, circa 50 joule
(l’energia di un pallone
da calcio a 50 km/h
in un solo protone!)
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Una lunga lista di problemi aperti…
• Come/dove sono prodotti i raggi cosmici?
• Quali processi li accelerano fino ad energie così elevate?
- Shock nelle Supernovae?
- Sistemi binari compatti?
- Nuclei Galattici Attivi?
• Perché i raggi cosmici di energia più elevata non provengono
da qualche punto particolare?
• Perché ci sono dei cambi di pendenza nello spettro d’energia
dei raggi cosmici?
- il ginocchio a 1015 eV (1 PeV)
- la caviglia a 1019 eV (10 EeV)
- l’alluce (?) a 1021 eV (1 XeV)
• Come fanno a giungere fino a noi i raggi cosmici di energia più
elevata (1020 eV)?
- l’interazione con la radiazione di fondo (“GZK cutoff”)
dovrebbe fargli perdere energia
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Prima degli acceleratori di
particelle…
Principali scoperte nella fisica delle
particelle elementari studiando le
interazioni dei raggi cosmici
nell’atmosfera:
1932: positrone o anti-elettrone
(Anderson)
1937: muone 
(Neddemeyer, Anderson)
1947: pione  (Powell)
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Scoperta del Pione
Nel 1947 Powell, Occhialini e Lattes scoprirono l’
esistenza del pione grazie a osservazioni di raggi
cosmici fatte a Chacaltaya.


e
Nel 1950 Powell vince il premio Nobel
Nel 1952 nasce il Laboratorio di Chacaltaya.
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Cosa ci interessa conoscere ?
Le caratteristiche piu` rilevanti dei Raggi Cosmici sono:
• Natura
(se è, ad esempio, un protone oppure un nucleo di ferro)
• Energia
• Direzione di provenienza nel cielo
• Sorgente di origine
Con queste informazioni si possono costruire
dei modelli per spiegare nascita, accelerazione
e propagazione dei Raggi Cosmici.
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Come scoprire le sorgenti di
Raggi Cosmici ?
I raggi cosmici perdono la loro direzione
originaria perché sono particelle elettricamente
cariche e vengono deflesse dai campi magnetici
della Galassia.
Ma i fotoni (ed i neutrini), che vengono prodotti
insieme ai raggi cosmici, non sono deflessi e dalla
loro direzione possiamo individuare le sorgenti.
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Come si rivelano i Raggi Cosmici ?
Dallo spazio
1 - Esperimenti su
pallone o satellite
Da Terra
2 – Telescopi Cerenkov
3 – Apparati di sciame
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Rivelatori di Raggi Cosmici
Telescopi
Cerenkov
Satelliti
106
Rivelatori di sciami
109
1012
1015
1018 eV
Energia
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Gli Sciami Atmosferici Estesi
Sono il risultato dell’interazione dei Raggi Cosmici con l’atmosfera.
Raggio Cosmico
primario
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La Rivelazione degli Sciami Estesi
Disco di particelle che si propaga
in atmosfera fino a terra
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I Rivelatori di Sciami
Atmosferici Estesi
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Alcuni tra i piú importanti laboratori
in alta quota nel mondo....
In Europa:
Plateau Rosa – Italia, Valle d’Aosta - 3505 m
Jungfraujoch – Svizzera – 3560 m
Campo Imperatore – Italia, Gran Sasso - 2000 m
Sull’ Himalaya:
Yangbajing - Tibet - 4300 m
Sulle Ande:
Chacaltaya - Bolivia - 5200 m
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Laboratorio della
Testa Grigia
Plateau
Rosa
3505 m
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Laboratorio della Testa Grigia
Fondato nel 1947
dal CNR (Consiglio
Nazionale delle
Ricerche)
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Jungfraujoch – 3560 m
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Sulle falde del Gran Sasso
Laboratorio di Campo
Imperatore, 2000 m
(1985 – 2000)
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Esperimento EAS-TOP
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EAS-TOP d’inverno
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EAS-TOP sotto la neve
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Chacaltaya, Bolivia, 5200 m
Il più alto laboratorio del mondo
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Chacaltaya - Bolivia
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53
La strada per Chacaltaya…
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I rivelatori di Raggi Cosmici
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YangBaJing - Tibet
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L’esperimento ARGO-YBJ nel
laboratorio di YangBaJing
Longitudine 90° 31’ 50” East
Latitudine 30° 06’ 38” North
4300 m sul livello el mare
90 Km a Nord di Lhasa (Tibet)
Astrophysical Radiation
with
Ground-based Observatory
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Interno del laboratorio
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Interno del laboratorio
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Proiezione spazio-temporale
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I Raggi Cosmici al livello del mare
Sciami Estesi originati da Raggi Cosmici di altissima energia
(1017 eV) possono essere rivelati anche al livello del mare
Osservatorio Pierre Auger
Il sito
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La superficie
con i rivelatori
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Un rivelatore
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Lo studio dei Raggi Cosmici si può
fare anche a scuola…
Sui tetti di numerose scuole negli USA ed in Giappone sono stati
posti semplici rivelatori di Raggi Cosmici gestiti dagli studenti.
Le scuole, distanti fra loro
diversi km, vengono messe
tra loro “in coincidenza”.
In tal modo si possono
studiare i grandi sciami di
altissima energia.
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In Conclusione…
I principali obiettivi dello studio della Radiazione
Cosmica sono:
• Identificazione delle sorgenti della radiazione
Tramite lo studio delle particelle neutre (fotoni e neutrini)
• Composizione chimica
• Meccanismi di accelerazione e di propagazione
• Comprensione della struttura del “ginocchio” (1015 eV)
• Comprensione dello spettro alle altissime energie (1020 eV)
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…guardando l’Universo con “gli occhi” della
Radiazione Cosmica è possibile scoprire
aspetti e strutture altrimenti invisibili.
Si aprono così nuovi orizzonti alla ricerca
“Il vero viaggio della scoperta consiste, non
nel cercare nuove terre, ma nel guardare
con nuovi occhi”.
Marcel Proust (1871-1922)
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Astronomia del XXI secolo
• Raggi Cosmici di altissima energia
• Astronomia Gamma
• Astronomia dei Neutrini
• Onde Gravitazionali
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L’impegno dell’INFN
Numerosi esperimenti per lo studio della Radiazione Cosmica sono
finanziati dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Raggi
Cosmici
Astronomia
Gamma
Neutrini
Onde
Gravitazionali
Cream
Agile
Nemo
Virgo
AMS-2
Glast
Pamela
Argo
Auger
Magic
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Antenne
Criogeniche
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