Fisica Astro-Particellare

La Fisica Astro-Particellare
Alessandro Petrolini
La Fisica Astro-Particellare
• La fisica AstroParticellare sta al confine tra:
AstroFisica e Fisica delle Particelle Elementari.
• Studia problemi tipicamente di Astrofisica
con tecniche di Fisica delle Particelle.
• È un campo tipicamente interdisciplinare:
– Astrofisica e cosmologia;
– Fisica delle interazioni fondamentali;
– Fisica delle particelle;
– Fisica nucleare;
– Scienza dello spazio.
• Esperimenti passivi !
• Campo complementare ad astronomia e astrofisica.
• Sono stati osservati raggi cosmici
con l’energia di una palla da tennis.
Le principali domande
Astroparticle physics studies astrophysical phenomena which provide an
insight into fundamental physics and deals with fundamental physics which
is relevant to our understanding of astrophysical phenomena as well as the
structure and development of the universe.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Where is the origin of cosmic accelerators for particles of the highest
energy of over 100 EeV?
Are there particles which are relics of the big bang?
Is there antimatter in the universe?
What is the maximum energy of TeV photons? What is the exact spectrum,
where are the sources and what is the generation mechanism?
What do we learn from the neutrino sources in the universe?
What role do neutrinos play in the origin of the universe? What is their
mass?
What is the nature of dark energy and dark matter?
Are there additional spatial dimensions?
Did Einstein have the last word with regard to gravitation?
Are there new states of matter with maximum density and temperature?
To what dimensions do well-known natural laws such as quantum
electrodynamics apply?
How were the elements from iron to uranium "made"?
Lo sviluppo delle conoscenze scientifiche
Sviluppi tecnologici 
nuove tecniche di indagine/osservazione 
nuove scoperte 
nuovi fenomeni da interpretare e problemi da risolvere.
OSSERVAZIONI
MISURE
MODELLO
PROGETTO
ESPERIMENTO
PREVISIONI
Crab Nebula: pulsar residuo di Supernova
I diversi colori
indicano diversi
processi fisici in
azione.
Una supernova
rimette in
circolazione
nello spazio
interstellare la
materia della
stella morente.
Le supernovae
sone le sorgenti
dei raggi cosmici
di media energia.
Vedere le COSE
• È sempre una interazione: radiazione – oggetto – rivelatore.
– Sorgente (produce un qualche tipo di radiazione);
– Interazione con l’oggetto (se diverso dalla sorgente):
la radiazione acquista un segno dell’interazione,
cioè delle proprietà dell’oggetto;
– Rivelatore, rivela la radiazione,
che trasporta informazioni della sorgente e dell’oggetto.
• Ci sono diversi modi di vedere un oggetto !
Luce Visibile (Radiazione EM)
• Vedo, tipicamente, solo la superficie di un oggetto
(tranne che per oggetti trasparenti, che sono pochi).
I raggi X (Radiazione EM)
• Per osservare l’interno di un oggetto
serve una radiazione penetrante
che attraversi l’oggetto,
ne catturi alcune caratteristiche
e ne porti l’informazione ad un osservatore.
Onde Radio e Interferometria
•
•
•
•
Consiste di 27 radio-telescopi di 25 m di diametro.
Sono installati su rotaie, e possono coprire una zona fino a 35 km.
È un interferometro, può risolvere una sorgente radio grande come una
palla da golf a 150 km di distanza.
È usato anche per ricevere trasmissioni radio da sonde spaziali.
Vedere con UltraSuoni (onde acustiche)
Tomografia con onde sismiche
Dark Matter: vedere l’invisibile
Dark Matter: candidati
Lo spettro delle onde ElettroMagnetiche
Astronomia EM:
radio/IR/microonde/visibile/UV/X/gamma
• L’osservazione delle onde
elettromagnetiche in
diverse lunghezze d’onda
fornisce informazioni
diverse (diverse sorgenti e
interazioni).
• Osservazioni possibili
da Terra: luce visibile e
onde radio: altre bande
assorbite dall’atmosfera.
• Occorre andare ad alta
quota oppure nello spazio
per ridurre o eliminare
l’effetto dell’atmosfera.
Osservazione onde ElettroMagnetiche
Il piano galattico in diverse lunghezze d’onda
Esperimenti per Raggi Gamma
Raggi gamma di alta energia
Gamma Ray bursts
•
•
•
•
•
Sono stati scoperti per caso da satelliti militari attorno al 1970.
Si osservano brevi e intensi lampi di radiazione gamma.
La sorgente di energia è compatta, qualche decina di km.
L’energia liberata è enorme.
Si ipotizzano due possibili modelli
– Hypernova: esplosione di stelle di massa circa 30MS
– Fusione di due oggetti compatti:
buco nero, stella di neutroni o nana bianca
Non solo radiazioni ElettroMagnetiche
• Le onde Elettromagnetiche sono prodotte da fenomeni EM
e interagiscono con gli oggetti attraverso interazioni EM
 solo informazioni EM su sorgente e oggetto.
• Ma esistono altre interazioni fondamentali:
– Gravitazionale;
– Debole;
– Forte.
• Servono altre sonde !
– Onde gravitazionali (gravitoni);
– Leptoni (incluso neutrini);
– Adroni (protoni, neutroni, nuclei).
• Alcuni di questi messaggeri
non raggiungono la superficie terrestre…
L’ambiente spaziale circum-terreste
(atmosfera, campo magnetico) protegge la Terra.
Campo magnetico terrestre
• Le fasce di Van Allen
Aurora boreale (northern lights)
Raggi Cosmici di bassa energia dal Sole
Forze, interazioni, mediatori…
Interazioni Gravitazionali
• Luce che risente di (interagisce con) un campo gravitazionale.
Onde Gravitazionali
Onde gravitazionali : Campi gravitazionali statici
=
Onde ElettroMagnetiche : Campi EM statici
Spettro dei Raggi Cosmici
The cosmic ray spectrum stretches over some 12 orders of magnitude in energy
and some 30 orders of magnitude in differential flux.
Non-Thermal spectrum
many Joules in one particle!
I Raggi Cosmici investono la Terra
Rivelazione dei Raggi Cosmici
Sciami Atmosferici Giganti
Rivelazione di Sciami Atmsferici
Osservazione da pallone (Antartide)
Rivelazione diretta Raggi Cosmici da spazio
Messaggeri da distante
• I neutrini sono le
particelle stabili
più penetranti.
• Portano
informazioni
attraverso regioni
opache ad altri tipi
di radiazione.
• Per la stessa
ragione sono
difficile da rivelare.
Esperimenti Under-Sea
Vedere all’interno delle stelle
• Le stelle producono
radiazioni/particelle
di molti tipi.
• Per vedere all’interno delle
stelle occorre studiare, tra
le radiazioni/particelle,
prodotte dalle stelle, quelle
più penetranti: i neutrini.
• Oppure: studio delle onde
acustiche attraverso
la elio-sismologia.
Fisica UnderGround
• Se si deve rivelare una radiazione molto penetrante
occorre schermare le altre radiazioni!
Rivelazione di neutrini solari
Interazione di neutrini con la Luna
• High energy cosmic-ray neutrinos graze the Moon from behind. In
the lunar soil charged particles, created by interactions between
atoms in the soil and the neutrino, can actually move faster than
light in the soil. This causes the particles to emit Cerenkov
radiation in the microwave portion of the electromagnetic
spectrum. Cascades of this radiation can be detected with radio
telescopes on Earth.
AstroFisica Nucleare a Terra
• Riproduzione e studio a Terra (…sotto Terra)
di reazioni di interesse astrofisico.
• Esempio: misura delle sezioni d’urto dei più importanti
processi di fusione della catena protone-protone e del ciclo
CNO alle energie rilevanti per la fisica solare.
La storia dell’Universo
Il quadro attuale
Il quadro attuale
Il quadro attuale
Conclusione
• La fisica astroparticellare
è un settore che sta vivendo una grande espansione.
• Ha permesso di osservare l’universo con nuovi occhi !
• Vari sviluppi sperimentali e tecnologici
hanno permesso in anni recenti:
– molte scoperte;
– possibilità di indagine in settori prima inaccessibili.
• Gli sviluppi della fisica teorica forniscono le basi
per l’interpretazione delle osservazioni
e lo sviluppo di modelli dei fenomeni cosmici.
???