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IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli1 La Radiazione Cosmica di Altissima Energia B. D’Ettorre Piazzoli Dipartimento di Scienze Fisiche, Università “Federico.

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1 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli1 La Radiazione Cosmica di Altissima Energia B. D’Ettorre Piazzoli Dipartimento di Scienze Fisiche, Università “Federico II”, Napoli

2 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli2 I Messaggeri Cosmici Lo studio dell’Universo viene condotto grazie a 4 differenti messaggeri Fotoni Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Radiazione elettromagnetica Nuclei e particelle carichi Particelle neutre Non ancora osservate Per comprendere a fondo l’Universo bisogna saper rivelare tutti i diversi messaggeri !! … per fare ciò ci vogliono “occhi adatti”…

3 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli3 Lo Spettro Elettromagnetico Quello che vediamo noi… …Ma c’è di PIÙ

4 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli4 Guardare l’Universo con “nuovi occhi”… RadioInfrarossoOttico Osservare l’Universo con “nuovi occhi” consente di scoprire della nuova Fisica e quindi dei nuovi fenomeni… Differenti immagini della Nebulosa del Granchio Le osservazioni a diverse lunghezze d’onda rivelano dettagli invisibili nell’ottico. Raggi - X Pulsar

5 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli5 L’Universo Stelle per Galassie L’Universo è composto da Stelle raccolte in Galassie

6 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli6 Cos’è una Galassia ? Distanza Terra – Sole = km = 1 Unita’ Astronomica (A.U.) La luce del Sole (v = c = km/sec) impiega 8 minuti a giungere sulla Terra 1 anno-luce = 9.5 x km

7 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli7 Cos’è una Galassia ? Il sistema solare e’ troppo piccolo per essere visto in questa scala Distanza tipica tra Stelle in prossimità del Sole

8 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli8 Cos’è una Galassia ? Galassia = insieme di Stelle, Gas e Polveri tenute insieme dalla Gravità

9 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli9 Esistono molti tipi di Galassie…

10 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli10 Esistono molti tipi di Galassie…

11 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli11 Stella tipica: il Sole by SOHO

12 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli12 Eruzioni Solari by SOHO

13 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli13 La Struttura del Sole

14 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli14 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 Pressione OUT Durante il processo di Fusione Nucleare vengono bruciati in successione nuclei di tutti gli elementi chimici a partire dall’Idrogeno.

15 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli15 Da dove proviene l’energia ? Quando la temperatura raggiunge circa 15 milioni di gradi inizia la Fusione Nucleare al centro di una stella 4 ( 1 H) 4 He + 2 e neutrini 4 atomi di Idrogeno si fondono e producono 1 atomo di Elio Ma da dove proviene l’energia ? Dal fatto che la massa di 4 atomi di 1 H è maggiore della massa di 1 atomo di 4 He E = mc He + 2 e neutrini + energia

16 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli16 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.

17 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli17 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

18 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli18 Supernovae Le stelle piú grandi finiscono la loro vita con una spettacolare esplosione e diventano Supernovae Puff! Bang! La sorte di una stella dipende dalla sua massa.

19 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli19 Supernova 1987a nella Grande Nube di Magellano PrimaDopo

20 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli20 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 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. Una parte e` accelerata alle alte energie  Raggi Cosmici

21 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli21 Cosa sono i Raggi Cosmici ? Sono particelle che provengono dallo spazio con velocitá prossime alla velocitá della luce ( 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 particelle ogni secondo !!!

22 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli22 Quali Particelle formano i Raggi Cosmici ? I raggi cosmici sono nuclei di atomi di materia ordinaria. L’atomo piú comune nell’ Universo é l’atomo di Idrogeno. Il suo nucleo é costituito da un protone. elettrone nucleo (protoni + neutroni)

23 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli23 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 …

24 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli24 L’energia dei Raggi Cosmici L’energia dei R.C. si misura in elettron-volt  V = 1 Volt e-e- E = 1 eV La luce = radiazione elettromagnetica costituita da fotoni di energia pari a circa 1 eV. I R.C. sono particelle con energie che vanno dai milioni di eV (MeV) fino a 100 miliardi di miliardi di eV (10 20 eV) !!!! Queste sono energie così elevate che non si riescono a raggiungere sulla Terra neanche con gli acceleratori più potenti.

25 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli25 Lo Spettro dei Raggi Cosmici Knee 1 p/(m 2 y) 1 p/(km 2 y) 1 p/(m 2 sec) Fino a eV !!! Origine Extra-Galattica Origine Galattica

26 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli26 Il “Modello Standard” dei R.C. ginocchio caviglia 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 ? Esistono sistemi astrofisici particolari che sono dei veri e propri “Mostri del cielo” !!!

27 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli27 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. 1 parsec = 3.3 anni-luce = km = A.U.

28 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli28 Abbondanza degli elementi

29 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli29 Altre sorgenti dei Raggi Cosmici Ad altissime energie: Buchi neri, gamma-ray bursts, oggetti sconosciuti dell’Universo ????? Alle basse energie: il nostro Sole Alle alte energie: Esplosioni di Supernova

30 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli30 I Nuclei Galattici Attivi Milioni di anni luce !!! Buco Nero Cygnus A M 87 (60 milioni di anni-luce) Sono Galassie con un Buco Nero al centro e con 2 jets simmetrici di materia.

31 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli31 I Nuclei Galattici Attivi

32 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli32 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.

33 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli33 Particelle cariche dal cosmo Protoni, particelle , nuclei pesanti Nessuna anisotropia significante è stata osservata (“ben mescolata” dal campo magnetico della Galassia) Energie oltre eV provengono dalla nostra Galassia (N.B.: gli schermi di TV e PC usano fasci di elettroni di 10 3 eV Energie oltre eV sono di origine extragalattica L’intensità diminuisce rapidamente con E (secondo E -2.7 ): EnergiaIntensità eV1000 per m 2 per sec eV1 per m 2 per sec eV1000 per m 2 per anno eV1 per km 2 per anno L’energia più alta rivelata è ~10 20 eV, circa 50 joule (l’energia di un pallone da calcio a 50 km/h in un solo protone!)

34 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli34 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 eV (  1 PeV) - la caviglia a eV (  10 EeV) - l’alluce (?) a eV (  1 XeV) Come fanno a giungere fino a noi i raggi cosmici di energia più elevata (10 20 eV)? - l’interazione con la radiazione di fondo (“GZK cutoff”) dovrebbe fargli perdere energia

35 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli35 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)

36 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli36 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.

37 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli37 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.

38 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli38 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.

39 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli39 Come si rivelano i Raggi Cosmici ? Dallo spazio 1 - Esperimenti su pallone o satellite Da Terra 2 – Telescopi Cerenkov 3 – Apparati di sciame

40 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli40 Rivelatori di Raggi Cosmici eV Energia Satelliti Telescopi Cerenkov Rivelatori di sciami

41 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli41 Gli Sciami Atmosferici Estesi Sono il risultato dell’interazione dei Raggi Cosmici con l’atmosfera. Raggio Cosmico primario

42 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli42 La Rivelazione degli Sciami Estesi Disco di particelle che si propaga in atmosfera fino a terra

43 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli43 I Rivelatori di Sciami Atmosferici Estesi

44 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli44 Alcuni tra i piú importanti laboratori in alta quota nel mondo.... In Europa: Plateau Rosa – Italia, Valle d’Aosta m Jungfraujoch – Svizzera – 3560 m Campo Imperatore – Italia, Gran Sasso m Sull’ Himalaya: Yangbajing - Tibet m Sulle Ande: Chacaltaya - Bolivia m

45 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli45 Laboratorio della Testa Grigia Plateau Rosa 3505 m

46 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli46 Laboratorio della Testa Grigia Fondato nel 1947 dal CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche)

47 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli47 Jungfraujoch – 3560 m

48 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli48 Sulle falde del Gran Sasso Laboratorio di Campo Imperatore, 2000 m (1985 – 2000)

49 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli49 Esperimento EAS-TOP

50 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli50 EAS-TOP d’inverno

51 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli51 EAS-TOP sotto la neve

52 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli52 Chacaltaya, Bolivia, 5200 m Il più alto laboratorio del mondo

53 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli53 Chacaltaya - Bolivia

54 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli54 La strada per Chacaltaya…

55 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli55 I rivelatori di Raggi Cosmici

56 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli56 YangBaJing - Tibet

57 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli57 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) A strophysical R adiation with G round-based O bservatory

58 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli58 Interno del laboratorio

59 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli59 Interno del laboratorio

60 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli60 Proiezione spazio-temporale Dati con 16 Cluster

61 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli61 Dati con 16 Cluster Sciame che accende 444 pad “Core” dello sciame all’interno dell’area del rivelatore

62 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli62 I Raggi Cosmici al livello del mare Sciami Estesi originati da Raggi Cosmici di altissima energia (  eV) possono essere rivelati anche al livello del mare Osservatorio Pierre Auger Il sito La superficie con i rivelatori Un rivelatore

63 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli63 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.

64 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli64 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” (  eV) Comprensione dello spettro alle altissime energie (  eV)

65 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli65 “Il vero viaggio della scoperta consiste, non nel cercare nuove terre, ma nel guardare con nuovi occhi”. Marcel Proust ( ) …guardando l’Universo con “gli occhi” della Radiazione Cosmica è possibile scoprire aspetti e strutture altrimenti invisibili. Si aprono così nuovi orizzonti alla ricerca

66 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli66 Astronomia del XXI secolo Raggi Cosmici di altissima energia Astronomia Gamma Astronomia dei Neutrini Onde Gravitazionali

67 IDIS - 9 Feb. 2005B. D'Ettorre Piazzoli67 L’impegno dell’INFN Numerosi esperimenti per lo studio della Radiazione Cosmica sono finanziati dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Raggi Cosmici Cream AMS-2 Pamela Auger Astronomia Gamma Agile Glast Argo Magic Neutrini Nemo Onde Gravitazionali Virgo Antenne Criogeniche


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