Sulla natura e l origine del ginocchio e della caviglia nello spettro dei raggi cosmici Antonio Codino Dipartemento di Fisica e INFN dell'Università degli.

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1 Sulla natura e l origine del ginocchio e della caviglia nello spettro dei raggi cosmici Antonio Codino Dipartemento di Fisica e INFN dell'Università degli Studi di Perugia, Italia

2 Sommario Alcune caratteristiche quantitative riguardanti il ginocchio e la caviglia. Osservazioni radioastronomiche e astronomiche che foggiano le proprietà dei raggi cosmici galattici. L origine e la natura dei ginocchi e delle caviglie dei singoli ioni. Confronto tra spettri calcolati e misurati del protoni, elio, CNO e ferro intorno alle energie dei ginocchi. Confronto tra spettro calcolato e misurato della radiazione cosmica (spettro di tutte le particelle) dal ginocchio alla caviglia. Evidenza che il ginocchio e la caviglia sono prodotti dagli stessi meccanismi Conclusioni e commenti.

3 Tema del seminario è descritto nei seguenti lavori in collaborazione con Francois Plouin L origine della caviglia L unico meccanismo che genera il ginocchio e la caviglia nella zona galattica locale Bacini galattici di elio e ferro intorno alle energie del ginocchio Sono stati diffusi sulla rete informatica di astrofisica circa due mesi fa

4 Position of the sources in the Galaxy Asymmetries in the arrival directions of the cosmic rays Galactic wind Method of calculation Grammage The solution of the knee and ankle problem

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11 Spiral magnetic field

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13 Cosmic ray trajectories in the disk Brunetti & Codino, ApJ, 2000, 528, 789

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18 Traiettorie dei raggi cosmici nella Galassia parametri ulteriori La densità della materia interstellare ha un valore medio di un atomo per cm 3, aumentata a 1,24 atomi per cm 3 per tener conto degli elementi pesanti. Viene utilizzata una distribuzione uniforme delle sorgenti con equazione: Q(r,z,l)=C (r-R)N(,z) N(,z) è una distribuzione gaussiana con deviazione standard di 80 parsec nella direzione z ( quindi una distribuzione smussata in z per evitare una caduta a gradino, non fisica, in z ).

19 Codino & Plouin ApJ, 2006, 639, 173

20 Reference Frame Bound to the Spiral Field

21 g il grammaggio (g/cm 2 ) è la colonna di gas spazzata dai raggi cosmici. g = m H n H L D L D lunghezza della traiettoria n H numero di atomi per centimetro cm 3 m H massa dell atomo medio interstellare L D = v d s d V d numero di inversioni di moto S d spessore fisico del disco = A / ( g N A ) SdSd

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23 How cosmic-ray trajectories are determined Corsa –The algorithms described in this presentation (12 years old, first publication 1995 ) Mariposa –It is a new code for the simulation of cosmic-ray trajectories adopting : Large simulation volume about 400 kpc ( half way from Andromeda galaxy ) Supernovae source distribution, etc etc. Chaotic magnetic field described by Kolmogorov, Kraichnan and other spectra of magnetic inhomogeneities. A quite recent code (2005), at the stage of developement.

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27 Illuminando la Galassia con un fascio di ioni emesso dalla Terra e contando il numero di collisioni nucleari nel disco. Collisioni nucleari Codino & Plouin, ApJ 2006

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30 Abbondanze degli ioni e indici spettrali Nei grafici precedenti, per scopi di calcolo, le sorgenti galattiche dei singoli ioni avevavo la stessa potenza, le stesse abbondanze, che ovviamente, è un ipotesi irreale. Iniettando lo stesso numero di ioni per tutte le energie, come si è fatto per tutti i risultati appena mostrati, è equivalente ad assumere indici spettrali piatti, which is unphysical. Per comparare i risultati del calcolo ai dati sperimentali è necessario considerare le abbondanze degli ioni e gli indici spettrali dei singoli ioni.

31 Ion abundances and spectral indices The spectral indices of single cosmic rays measured by the experiments below 10 15 eV and ion abundances as well, are important inputs in the evaluation of the energy spectra above 10 15 eV.

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34 Relative abundances of cosmic ions at low energies (below the knee energy) Ion Blend inspired by the Atic experiment Ion Composition (%) Spectral index H35,62.61 He33,12.53 CNO15,52.60 Ne-S9,22.60 Fe (17-26)6,22.50 Ca0.12.60

35 Ipotesi sugli indici spettrali Si fa l ipotesi che i valori degli indici spettrali dei singoli ioni adoperati nel calcolo siano costanti sull intero intervallo di energia da alcuni GeV sino a 10 21 eV. Pertanto, non vi è nessun aggiustamento ad hoc né alcuna arbitrarietà una volta che indici e abbondanze ioniche sono assegnate ad una solo valore dell energia nell intervallo 1 GeV 10 21 eV. Non si fa distinzione tra indici spectrali alle sorgenti e indici spettrali misurati dagli esperimenti nel sistema solare.

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47 Relative abundances of cosmic ions at low energies (below the knee energy) BLEND 3 (VULCANO paper) – Energy = 2 x 10 15 eV Ion Composition (%) Spectral index H19,62.72 He35,52.72 CNO14,02.65 Ne-S12,02.65 Fe (17-26)17,82.50 Ca0.12.60

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50 The ankle

51 The extragalactic component Assume that a significant amount of the extragalactic component of cosmic rays reach the local galactic zone, at some energy. Let us suppose that : the relative abundances of the extragalactic cosmic ions in the intergalactic space are similar to those overflowing from the Milky Way Galaxy ; the extragalactic cosmic rays entering the Milky Way Galaxy encounter the same structures of magnetic fields and interstellar matter as do galactic cosmic rays. Cosmic rays entering the Milky Way Cosmic ray overflowing the Galaxy

52 Relative abundances of cosmic ions at low energies (below the knee energy) BLEND 2 ( VULCANO paper) – Energy = 2 x 10 15 eV Ion Composition (%) Spectral index H37,92.74 He27,42.72 CNO10,82.65 Ne-S9,32.65 Fe (17-26)13,82.60 Ca0.82.60

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54 The position of the ankle relative to that of the knee The position of the ankle along the energy axis is unambiguously bound to the knee energy of the same ion. The energy at which the rectilinear propagation sets on is an unmistakeable, distinctive, useful sign in order to identify the ankle and to determine quantitatively its features, because the average magnetic field strength in the disk is known. Major ankle features : position along the energy axis and enhancement of the intensity above the intensity minimum at 5 10 18 eV (we call ankle magnitude). In my opinion, a cross-check that this explanation of the knee and the ankle is correct comes from the extragalactic (or extradisc) component of the cosmic radiation as reported in in the following.

55 s Galactic cosmic rays Extragalactic N(0) N(s)=N(0)/ e g g=m H n H L Solar cavity dischalo sasa N(s a )=N(0)/e g+ga) g a = halo grammage = cross section g = grammage L = trajectory length

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57 Galactic sources Extragalactic sources Solar cavity Ie Ig E=10 13 eV E=10 16 eV E=10 17 eV E=10 18 eV

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60 L energia a cui s instaura la propagazione rettilinea L energia a cui s instaura la propagazione rettilinea è di 4 x 10 18 eV l elio, come mostrato nel grafico precedente, e di 5 x 10 19 eV per il ferro.

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62 Vi è accordo tra i risultati dei calcoli e dati sperimentali su: (1) Il ginocchio dei protoni ( Esperimento Kascade) (2) Il ginocchio dell elio (Kascade) (3) Il ginocchio del gruppo CNO (Kascade) (4)Lo spettro del ferro che ha approssimativamente l indice di 2.6 da 10 15 eV a 10 17 eV (secondo le misure degli esperimenti Eas-top e Kascade). A tutt oggi, il ginocchio del ferro non è stato ancora osservato. (5) Lo spettro completo nell intervallo 10 14 to 10 19 eV nonché la pendenza di 3.0 oltre 6 10 15 eV. (6)La ricrescita relativa d intesità nello spettro completo oltre il minimo di intensità a 5-6 10 18 eV ( ampiezza della caviglia ).

63 Conclusions (2) Assuming the existence of an extragalactic component in the intergalactic space surrounding the Milky Way, it is interesting to determine its intensity at Earth. This extragalactic component might be conceived in a variety of forms like : (a) Debris from normal galaxies in the cosmic vicinity (e.g. 40 Mpc) (b) Debris from powerful galaxies. (c) Reentrant particles overflowed from the Milky Way (extradisc component). (d) Cosmic ray populations re-accelerated in the intergalactic space. Whatever may be the ion abundances populating the intergalactic space (within the plausible limits bound to the experimental data at Earth), there exists a particular energy interval along the energy axis where the extragactic component must have a maximum of intensity.

64 Conclusioni (3) Le posizioni delle caviglie e dei ginocchi lungo l asse dell energia sono interconnesse in modo molto caratteristico dall intensità e forma del campo magnetico che determina il grammaggio, e dalle sezioni d urto nucleari, che crescono con l energia. A nostra conoscenza, questo nesso tra ginocchi e caviglie è un risultato completamente nuovo e corrobora ulteriormente la spiegazione degli spettri in energia dei singoli ioni.

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74 On the origin of the ankles Why the ankles of individual ions exist The position of the ankle along the energy axis of the complete spectrum at 5 x 10 18 eV is correctly accounted for. The slope of the cosmic ray spectrum between 10 15 and 5 10 18 eV and the the position of the ankle. The bump in the complete spectrum, around 5 10 19 eV. Evidence that the knee and ankle are produced by the same mechanism.

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77 Codino & Plouin, ApJ, 2006, 639, 173

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82 The knees in terms of galactic basins The concept of galactic basin is similar to that of a terrestrial basin, peculiar of a river, with all the caveats inherent to any analogy. As the energy increases the dimension of the galactic basins become larger and larger. When the size of a galactic basin approaches the disk size, there is a decrease in the number of cosmic rays reaching the solar cavity: this is the knee in terms of Galactic basins. The concept of galactic basin is described in (Codino & Plouin, ApJ, 2006, 639, 173) but, in this paper, the explanation of the knees is not given.

83 The knees in terms of galactic basins Knee = position of the bend along the energy axis fall of the intensity after the bend ( spectral index) The effect of the magnetic field is not enough to explain the origin of the knee. What really matters ( once the magnetic field is aknowledged) is : (1) the position of the solar cavity in the Galaxy; (2) the thickness of the disk ( finite disk thickness) If the disk thickness would have been much higher than the actual value of 250 pc ( say, exagerating, 2000 pc) the position of the bend would remain unchanged but instead of a fall of intensity an enhancement of intensity would have been measured ( say, an anti-knee). The explanation of the knees in terms of galactic basins: Galactic basins of Helium and Iron around the knee energy http://www.lnf.infn.it/sis/preprint/pdf/INFN-TC-06-5.pdf A. Codino and F. Plouin, februar 2006.

84 La componente extragalattica Ammettiamo per semplicità che esista una componente extragalattica della radiazione cosmica che raggiunga la zona locale. Quindi supponiamo che: le abbondanze relative degli ioni cosmici extragalattici siano le stesse dei raggi cosmici in uscita dalla Via Lattea la componente extragalattica in ingresso alla Via Lattea incontri la medesima struttura di campi magnetici e di materia interstellare intercettate dai raggi cosmici galattici. Cosmici in entrata alla Via Lattea Cosmici in uscita