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I Messaggeri del Cosmo: i raggi cosmici E. Fiandrini Universita di Perugia & INFN Sezione di Perugia Planetario I. Danti 26 Gennaio 2011.

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1 I Messaggeri del Cosmo: i raggi cosmici E. Fiandrini Universita di Perugia & INFN Sezione di Perugia Planetario I. Danti 26 Gennaio 2011

2 Di cosa sono fatti i raggi cosmici? Mazinga Z ? Raggi cosmici: un flusso continuo di particelle elementari cariche e neutre (p, He, Nuclei, e §, fotoni) che colpiscono la sommita dellatmosfera dallo spazio esterno

3 L Universo e IL LABORATORIO in cui si possono osservare tutte le leggi della natura allopera, spesso in condizioni limite che non possono essere riprodotte allinterno dei laboratori terrestri Applicazione delle leggi note per descrivere fenomeni in condizioni estreme Scoperta di nuove leggi della fisica sulla base delle osservazioni sperimentali

4 Nuove leggi della fisica derivate dall osservazione astrofisica OSSERVAZIONI Tycho Brahe misura il moto dei pianeti Leggi di Keplero Osservazione dello spettro delle stelle (nane bianche) Formula di Balmer Perdita di energia per radiazione gravitazionale in sistemi binari LEGGI Keplero scopre le leggi del moto dei pianeti Newton: gravitazione universale Scoperta della serie di Balmer per latomo di idrogeno Teoria di Bohr dellatomo Relativita generale di Einstein

5 Fisica dei raggi cosmici = Fisica delle particelle

6 Hesse, Wulf, Wilson, Anderson, Bethe, Kohlorster, Millikan, Blackett, Skobeltsyn, Rochester, Butler, Rossi, Pancini, Conversi, Powell, Occhialini …… Avvento degli acceleratori Storicamente..... nei raggi cosmici

7 Cosa impariamo dai raggi cosmici Quali elementi ci sono nellUniverso Da dove vengono Come sono prodotti Come si propagano fino alla Terra

8 Osservabili Tipo di particella: CR carichi,, Composizione (quali elementi sono presenti nei RC) Distribuzione di energia Flusso (# di part. Che colpiscono una superficie unitaria per unita di tempo, di angolo solido e di energia ) Direzione di arrivo Anisotropia (puntare le potenziali sorgenti di RC)

9 Lo spettro energetico dei RC primari Particles produced by Sun Galactic and extragalactic particles GeV = Giga elettronvolt 1 eV = £ Joule Kin energy (MeV/Nucleon) Lo spettro differenziale e' il numero di particelle che attraversano l'unita' di superficie per unita' di tempo, di angolo solido e di energia

10 ~E -2.7 ~E -3.0 ~E -2.7 ~E TeV TOT ~10000 m -2 s -1 sr -1 Misure dirette: 85% p, 12% He, »1% nuclei pesanti, »2% e §, antiprotoni + fotoni Si estende per 13 ordini di grandezza in energia Per 32 ordini di grandezza in flusso Legge di potenza su tutto lo spettro, con almeno due cambi di pendenza Le energie più elevate misurate sono E eV = Energia cinetica palla da km/h Le energie più elevate in gioco nei RC sono irraggiungibili agli acceleratori Man made accelerators

11 ~E -2.7 ~E -3.0 ~E -2.7 ~E TeV da informazioni sui processi di accelerazione alle sorgenti e di propagazione nel mezzo interstellare delle particelle

12 I Raggi Cosmici sulla Terra I RC bombardano continuamente la Terra: circa particelle originate dai Raggi Cosmici ci attraversano ogni ora. Questo contribuisce alla dose di radioattività ambientale a cui siamo continuamente soggetti.

13 Isotropia La direzione di arrivo dei RC da informazioni sulla loro origine I RC primari al di sotto di eV hanno una distribuzione di arrivo completamente isotropa sulla sommità della nostra atmosfera. Qualè il motivo? Log E (eV) (%) 12 ~ ~ ~ ~ ~20+ Se il numero e lo stesso in tutte le direzioni il flusso si dice isotropo Contiamo quante particelle arrivano da una data direzione del cielo

14 La Via Lattea Galassia disco di raggio R=15 kpc, spessore h= pc, contiene stelle, gas, polvere, campi magnetici Galassia disco di raggio R=15 kpc, spessore h= pc, contiene stelle, gas, polvere, campi magnetici Campi magnetici galattici : B G ( campo geomagnetico 1 G, magnetino da frigorifero 100 Gauss )

15 Chandra X-ray image of Sgr A* Confinamento dei RC Usiamo i valori tipici del campo B ( G) per protoni: Il raggio di Larmor dei p è sempre < dello spessore del disco galattico (300 pc) se E<10 18 eV tutti i RC (meno quelli di energia estrema) sono confinati nel galassia dal campo magnetico sono di origine galattica

16 1 EeV = eV B field direction Il cammino dei raggi cosmici NON e' "liscio" e continuo, ma e' assimilabile a un cammino casuale governato dalla distribuzione casuale di radiazione, materia e campi magnetici nella galassia con cui essi interagiscono La direzione di arrivo dei raggi cosmici carichi NON punta alla sorgente che li ha generati ma il loro flusso e' isotropo fino ad energie molto elevate

17 Isotropia Log E (eV) (%) 12 ~ ~ ~ ~ ~20+ Punterebbero alle sorgenti ma ne arrivano troppo pochi (1 RC/km 2 /anno) per poter essere rivelati con precisione Pierre Auger Collaboration 2007, Science, 318, 939 Pierre Auger Collaboration 2008, APh, 29, 188 A bassa energia il flusso e completamente isotropo I RC di energia piu elevata (<10 18 eV NON sono di origine galattica poiche non posso essere contenuti dal campo magnetico galattico e sono ANISOTROPI. La direzione delleccesso massimo e vicina a quella del supercluster locale di galassie

18 Abbondanze degli elementi nella Galassia Le abbondanze primordiali degli elementi sono fissati dalla cosmologia: 24% (in massa) di 4 He 76% (in massa) di H La nucleosintesi nelle stelle provvede alla sintesi degli elementi più pesanti Le esplosioni stellari hanno una vita media << alletà dellUniverso e provvedono a rifornire lISM

19 Abbondanze relative dei RC e del sistema solare (SSA) J.A. Simpson, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 33 (1983) 323 H e He sono dominanti (98%), leggermente in difetto rispetto SSA Buon accordo tra CR e SSA per molti elementi, in particolare C, O, Mg, Fe. Elementi leggeri Li, Be, B e quelli prima del ferro Sc,V sono straordinariamente abbondanti nei RC rispetto SSA Idea! Usiamo queste differenze per stimare quanto materiale attraversano i RC per arrivare fino a noi: es. misuriamo il rapporto B/C

20 Propagazione Gli elementi del gruppo M(=C,N,O) sono gli elementi candidati a produrre L(=Li,Be,B) durante la propagazione. Il processo con cui gli M producono gli L è la spallazione, urto con i protoni del mezzo interstellare (1 p/cm 3 ) Dipende dalle sezioni durto di reazione nucleare e dalla quantita di materiale attraversato Quale quantità di materiale: = L (gcm -2 ) i nuclei M devono attraversare per produrre, nel rapporto osservato, gli elementi L. Spallazione = fissione nucleare 48 gr/cm 2, equivalente a uno spessore di circa 50 cm di acqua

21 Se il confinamento è dovuto al campo B Galattico, ci si aspetta che i RC più energetici attraversino meno materiale (piu le part hanno energia, piu vanno dritte); In tal caso, allaumentare dellenergia ci si aspetta un valore del rapporto B/C che decresce: meno materiale attraversato meno interazioni, meno spallazione di CNO, quindi meno Boro;. Riusciamo a capire come la composizione cambia durante la propagazione Dipendenza del rapporto B/C vs. E

22 Spettro dei RC alle sorgenti Il risultato appena ottenuto è estremamente importante, perché permette di avere informazioni sullo spettro energetico dei RC alle sorgenti. Poiché il flusso dei RC sulla Terra è stazionario, vi deve essere equilibrio tra: –Spettro energetico misurato: –Spettro energetico alle Sorgenti: –Probabilità di diffusione: Conservazione del numero di particelle

23 Spettro dei RC alle sorgenti Quindi, inserendo le dipendenze funzionali: Il modello che descrive le sorgenti di RC nella Galassia, dovrà prevedere una dipendenza con lenergia del tipo ~ E -2.

24 Potenza delle sorgenti dei RC Il confinamento dei RC ci induce a sospettare che le sorgenti siano di origine Galattica (tranne che per i RC di energia estrema). Qual è lenergetica delle sorgenti? (necessaria per individuarle). Il tempo di confinamento dei RC: = y Volume della galassia (con o senza alone) : Potenza richiesta per mantenere uno stato stazionario di RC:

25 Esiste un meccanismo con una potenza tale da sostenere il flusso dei RC nella Galassia? Una esplosione di Supernova libera: erg/esplosione La stima della frequenza di SN nella nostra Galassia è f SN = 1/ SN = 1/30 y -1 Potenza energetica liberata dalle SN: Perché il quadro sia coerente, occorre trovare un meccanismo che trasferisca »10% di energia dalle supernovae in energia cinetica di particelle (i RC) Meccanismo di Fermi NB: 1Mton =4.18£10 19 erg La bomba piu potente e di 50 Mton

26 Nel 1987 una supernova vicina ci ha fatto vedere la morte di una stella massiccia Al max, la sua luminosita e stata maggiore di quella della galassia ospite (Grande Nube di Magellano)

27 CasA Supernova Remnant in X-rays Shock fronts Esplosione = liberazione di energia in un volume limitato in tempo molto breve. Il gas caldo dei prodotti dellesplosione si espande nel mezzo (aria nel caso di esplosioni in atmosfera, mezzo interstellare nel caso delle supernovae) Lespansione avviene a velocita supersonica Davanti alla bolla in espansione si crea unonda durto (blast shock wave) in cui il mezzo e compresso e turbolento Tipiche V » km/s ' 6% della velocita della luce! Tipiche velocita del suono nel mezzo interstellare km/s

28 Diffusioni elastiche con il campo magnetico. A ogni diffusione la particella guadagna energia E = E. A ogni diffusione ha una certa probabilita P di sfuggire Dopo k diffusioni la particella ha energia E = E o (1+ ) k Accelerazione di Fermi del primo ordine # di particelle con energia E v cl v cos Campi magnetic i Scattering elastico x x x x x x x x x x x x E proprio quello misurato alle sorgenti! il modello rende conto dei dati osservati Dalla fluidodinamica (teoria degli shock)

29 Un modello giocattolo per il meccanismo di Fermi al I ordine v v Urto n. Velocità nel lab V 2-6v 3+14v ….

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31 Sommario

32 Accelerazione a E>100 TeV Le supernovae sono in grado di spiegare lo spettro dei RC fino a energie di circa eV Per energie superiore occorre cercare oggetti astrofisici ancora piu estremi, come le magnetar, stelle di neutroni con campi magnetici di decine di miliardi di Tesla. O come le ipernovae, in cui il bucleo collassa direttamente in un buco nero Raggi con E>10 12 eV sono stati osservati, segno inequivocabile della presenza di particelle elementari di altissima energia che vengono prodotte, accelerate da onde di shock e decadono/annichilano nel jet espulso dal buco nero del sistema in accrescimento Stelle magnetizzate di neutroni (magnetar)

33 Sappiamo tutto?

34 Problem: UHECRs dovrebbero perdere energia quando essi viaggiano nellISM Le interazioni con il CMB dovrebbero o distruggerli o rallentarli Esiste un limite superiore sullenergia dei RC da sorgenti distanti: GZK cutoff p+° CMB ¢ ¼§, ¼ o,… …ma sono stati rivelati UHE RC con energie molto piu grandi di quelle che dovrebbero avere se vengono da lontano Non conosciamo oggetti astrofisici che possano accelerare le particelle a energie cosi elevate Ultra High Energy RC: il mistero

35 Galassie in collisione Buchi neri supermassivi rotanti Gamma ray bursts Qualcosa di completamente nuovo, non ancora scoperto Potential sources of UHECRs?

36 Altre possibili sorgenti di UHE RC: Decadimento/annichilazione di qualche particella sconosciuta o fossili cosmologici dal big bang Nuova fisica Il mistero dei RC ad altissima energia

37 I fatti sperimentali: evidenza di componenti oscure nellUniverso Levidenza di componenti oscure nella densita di energia materia dellUniverso viene da molte osservazioni indipendenti a differenti scale Rotation curves of galaxies Lensing Large Scale StructureCMB Galaxy clusters SN Ia GB, Hooper & Silk, hep-ph/ Bergstrom, hep-ph/ Jungman et al, hep-ph/

38 Materia oscura La distribuzione di velocità delle stelle della galassia non segue la distribuzione della massa luminosa Aspettato dalla sola materia luminosa Osservato Alone di materia oscura La velocità di rotazione delle stelle a distanza R dal centro galattico dipende dalla massa nel volume di raggio R: V r =[GM(R)/R] 1/2 Il 90% della massa totale della galassia e oscura Ci DEVE essere un alone di materia oscura che agisce solo gravitazionalmente

39 Energia oscura La legge di Hubble ci dice che la velocita' di recessione delle galassie e' proporzionale alla distanza dall'osservatore Con H 0 ' 71 km/sec/Mpc Recenti osservazioni della luminosita' delle supernovae Ia hanno mostrato deviazioni da questa legge l'universo ha accelerato la sua espansione negli ultimi 5 mld di anni esiste una gravita' repulsiva descritta dalla costante cosmologica delle equazioni di Einstein, legata all'energia quantistica del vuoto (forse)

40 1- Eta dell universo 13.7 ± 0.1 (1%)£10 9 anni 2- 4% Materia visibile quella di cui siamo fatti noi Materia oscura sconosciuta 23% Materia oscura sconosciuta Energia oscura sconosciuta 2 73% Energia oscura sconosciuta 2 3- Universo e piatto e si espandera per sempre 4- Costante di Hubble 71 ± 4 km/sec/Mpc (5%) COSMOLOGIA DI PRECISIONE FISICA FONDAMENTALE La materia ordinaria e solo una piccola frazione della massa- energia totale dell'Universo!!

41 Terra, aria, acqua, fuoco Quarks, leptoni, Materia oscura, Energia oscura Una visione meno caritatevole Abbiamo misurato con precisione il contenuto di energia dellUniverso…ma non sappiamo di cosa sia fatto!

42 Modello standard delle particelle 12 particelle (+ 12 anti-part) + 5 bosoni di campo Il modello standard della fisica delle particelle descrive soltanto il 4% della massa dellUniverso! Elm Nucl debole Nucl forte Gravita Elettro debole

43 Materia oscura? Di cosa è fatta la Materia oscura? Neutrini ? No! Escluso da esperimenti Materia sotto forma di Stelle nane, poco luminose e quindi non visibili ? no sono troppo poche. WIMPS, ovvero particelle massive poco interagenti (sono in corso ricerche agli acceleratori per produrle) ? potrebbero essere neutralini...le particelle supersimmetriche piu leggere La ricerca sulla materia oscura è una delle sfide della Fisica Moderna E ancora di piu' lo e' il mistero dell' energia oscura

44 MATERIA OSCURA : i candidati Neutri : - privi di carica elettrica altrimenti interagirebbero e.m. - privi di carica di colore altrimenti potrebbero formare stati legati nucleari anomali Debolmente interagenti con la materia ordinaria Identikit: Stabili e pesanti: altrimenti sarebbero già decaduti o sarebbero troppo pochi Meccanismo di formazione e abbondanze fissati dalla cosmologia: Freeze out quando viene raggiunta la condizione di uscita dallequilibrio : M.O. CALDA : se relativistici al momento del congelamento. mantengono lo spettro termico al disaccoppiamento M.O. FREDDA : se non relativistici al momento del disaccoppiamento la popolazione viene congelata, e la densità si diluisce con lespansione dellUniverso Rivelabili (!) : un buon candidato deve essere anche rivelabile

45 Fisica delle particelle: La Supersimmetria La Supersimmetria risolve molti problemi teorici ed introduce per ogni particella nota un compagno supersimmetrico Putroppo fino ad adesso nessuna particella supersimmetrica e stata trovata… Per ogni fermione (quindi materia) di spin 1/2, esiste un partner supersimmetrico bosonico di spin 1 e viceversa: in questo modo c'e' completa simmetria fra particelle e campi di forza Ma se esistono non possono essere molto piu' pesanti di 100 GeV...non sfuggiranno alla ricerca a LHC

46 La Supersimmetria e la materia oscura I neutralini previsti dalla teoria possiedono tutte le proprieta che la materia oscura deve possedere e forniscono in maniera naturale labbondanza osservata di materia oscura Neutri : - privi di carica elettrica altrimenti interagirebbero e.m. - privi di carica di colore altrimenti potrebbero formare stati legati nucleari anomali Debolmente interagenti con la materia ordinaria Stabili : altrimenti sarebbero già decaduti Rivelabili (!) : un buon candidato deve essere anche rivelabile

47 Ams aprile 2011

48 Astrofisica Cosmologia Fisica delle particelle Astrofisica delle particelle

49 Le osservazioni astrofisiche, astronomiche e cosmologiche indicano in maniera netta che NON comprendiamo la maggior parte del contenuto dellUniverso Abbiamo bisogno di nuovi modelli, nuove teorie e piu osservazioni LUniverso non e piu strano di quanto immaginiamo ma e molto piu strano di quanto possiamo immaginare

50 Le particelle possiedono un nuovo numero quantico: R parita. Conservata durante le interazioni la particella MSSM piu leggera e stabile!

51 E, GeV With SUSY Without SUSY The EW Symmetry Breaking m h ~ 100 GeV, ~ GeV cancellation to 1 part in We expect new physics (SUSY, extra dimensions, something!) at M weak » 100 GeV Classical =+ = Fermion loops e L e R Robust unification of couplings at high energy Good for Cosmology/baryogenesis (DM, more CP violating phases) Adding SUSY bosonic loops the divergence disappears as they contribute with a relative minus sign wrt the fermionic loops: m»( /2 )(m 2 B –m 2 F )

52 Hic sunt leones L'universo diventa trasparente: possiamo usare i telescopi Fisica delle particelle

53 La storia termica delluniverso

54 de

55 Sommario Sorgente Astrofisica (Resto di Supernova) Raggio Cosmico Primario (protone, nucleo) Atmosfera Terrestre I raggi cosmici nella loro vita attraversano 5-10 g/cm 2 di materia. La composizione chimica varia durante la propagazione Lo spessore diminuisce al crescere dellenergia dei RC Lo spessore trasversale della galassia e » g/cm 2 i RC attraversano migliaia di volte la galassia: moto casuale diffusivo, i RC di alta E passano meno tempo nella galassia Prima vengono accelerati, poi propagati

56 Parentesi semiseria LHC provochera' la fine del mondo? LHC provochera' la fine del mondo? Verremo inghiottiti da un buco nero creato dalle collisioni p-p o Pb-Pb a 7 TeV per nucleone? Verremo inghiottiti da un buco nero creato dalle collisioni p-p o Pb-Pb a 7 TeV per nucleone? Ci hanno gia' fatto un romanzo:...e' un pessimo libro: la dimostrazione di come l'ignoranza crassa degli italiani continui ad ostacolare il progresso scientifico... Ci hanno gia' fatto un romanzo:...e' un pessimo libro: la dimostrazione di come l'ignoranza crassa degli italiani continui ad ostacolare il progresso scientifico...

57 Is the LHC safe ? Colliders Event rate = Luminosity x Cross section Event rate at 14 TeV= cm -2 s -1 x 100 * cm 2 = 10 9 events per second = events per year of LHC = events per 10 years of LHC

58 Is the LHC safe ? Cosmic rays LHC at 14 TeV = Cosmic rays at eV Event rate = Cosmic ray flux measurements x Surface of the Earth ' 1.6x10 9 s -1 Age of the Earth ' 5x10 9 yrs = 1.5x10 17 s Event number above eV = Cosmic ray flux measurements x Surface of the Earth x age of the Earth= 2x10 26 events so far

59 Is the LHC safe ? So just on Earth Nature has already performed 10 9 LHC programs And the Earth is still here And the Sun is 10 4 times the area of the Earth And the Sun is still here And there are stars in our galaxy And there are galaxies in the Universe …

60 Fine parentesi

61 Energy spectra of particles Ci sono anche differenze negli spettri di energia Lo spettro di energia e' una legge di potenza N(E)dE = E -x dE con x = 2.73 § 0.05 per p x = 2.87 § 0.08 per He x ' 2.5 per Z>2 La forma degli spettri fornisce informazioni sui processi di accelerazione. Le differenze fornsicono informazioni sulla propagazione dalle sorgenti fino alla terra

62 Supernova energetics

63 P ML = 0.28 M = 6.0 g cm -2 N = 8.4 g cm -2 R = N L /N M = 0.25 Quindi: i RC, perché presentino il rapporto R osservato sulla Terra, devono avere attraversato nella Galassia uno spessore di materiale equivalente pari a x T =4.8 g cm -2. Poiché la Terra non ha una posizione privilegiata nella Galassia, un qualsiasi altro osservatore misurerebbe lo stesso numero.

64 Nuclide D Tipo di Decadimento 7 Be * Stabile. 9 Be_________Stabile 10 Be y * Il 7 Be viene considerato stabile. In effetti può catturare elettroni, ma perché il libero cammino medio per il pick-up di elettroni e molto più grande dello spessore attraversato, questa trasmutazione è trascurata Il Be è stato il primo elemento ad essere usato per calcolare letà dei RC. Risulta quindi il più studiato. Ma anche altri isotopi possono essere usati : 26 Al y 36 Cl y 54 Mn~ y Quali isotopi si usano: il Berillio

65 OROLOGIO RANGE (MeV/Nuc) ESPERIMEN TO ETA (in Myr) 26 Al ACE/CRIS ULYSSES VOYAGER ISEE (+2.4,- 1.9) 26.0 (+4.0, - 5.0) 13.5 (+8.5, - 4.5) 9.0 (+20.0, - 6.5) 36 Cl ACE/CRIS ULYSSES 25.0 (+4.2, - 3.4) 18.0 (+10.0, - 6.0) 54 Mn ACE/CRIS ULYSSES 29.6 (+2.2, - 3.4) 14.0 (+6.0, - 4.0) Misure con altri isotopi Il tempo di residenza dei RC nella galassia e dellordine di alcune decine di milioni di anni

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67 RC Primari e Secondari Raggio Cosmico Primario (protone, nucleo) Sciame di particelle secondarie = RC secondari Atmosfera Terrestre Si chiamano RC primari quelli che giungono sulla sommità della atmosfera Si chiamano RC secondari quelli che arrivano al suolo, prodotti dalle interazioni dei primari con latmosfera

68 I RC secondari Interazione dei RC coi nuclei dellatmosfera sciami di particelle secondarie RC secondari. Latmosfera funge da convertitore La radiazione primaria può essere direttamente studiata solo fuori dallatmosfera terrestre (sonde) La radiazione al suolo può essere studiata con rivelatore di sciami Esperimenti underground per la componente penetrante (muoni e neutrini)

69 RC secondari 1. Flusso sulla sommità (H=0 gcm -2 ): m -2 s -1 sr m -2 s -1 sr -1 p (90%), He (9%), A (1%) p (90%), He (9%), A (1%) 2. Flusso a livello del mare (H=1000 gcm -2 ): 200 m -2 s -1 sr m -2 s -1 sr -1 Muoni, neutrini, e+e-, Muoni, neutrini, e+e-, H=300 km H=0 Lo spessore dell atmosfera equivale a 10 m di acqua

70 Raggio di curvatura di una particella in moto in un campo magnetico Determiniamo il raggio di curvatura (denominato raggio di Larmor) di una particella con carica q ed energia E in moto in un campo magnetico B. Determiniamo il raggio di curvatura (denominato raggio di Larmor) di una particella con carica q ed energia E in moto in un campo magnetico B.

71 Ordinary matter is made of atoms The protons and neutrons can be thought of being made up of quarks (in reality they contain also gluons and many more quarks) The protons and neutrons can be thought of being made up of quarks (in reality they contain also gluons and many more quarks) Pions are also made up of quarks Pions are also made up of quarks They are produced as secondary CRs They are produced as secondary CRs Pion ud26 ns lifetime – decay into +, du26 ns lifetime – decay into uu + dd1 x s lifetime – decay into Muons are produced when pions decay... Muons are produced when pions decay... They are the secondary cosmic rays that reach the Earths surface. We look for them to detect that a primary cosmic ray has reached Earths atmosphere They are the secondary cosmic rays that reach the Earths surface. We look for them to detect that a primary cosmic ray has reached Earths atmosphere

72 Produzione di Li, Be, B nei RC 6 Li,Be,B sono catalizzatori delle reazioni di nucleosintesi. Ciò significa che NON sono rilasciati al termine della vita stellare. Il solo 7 Li ha una piccola percentuale di origine cosmologica, mentre 6 Li,Be,B non sono stati prodotti dal big bang. Li,Be,B sono prodotti temporaneamente durante la catena di fusione, ma vengono consumati durante le reazioni: le stelle consumano questi elementi durante la loro vita. Quale è lorigine di questi elementi rari? Reeves, Fowler & Hoyle (1970) ipotizzarono la loro origine come dovuta allinterazione dei RC (spallazione e fusione di + ) con il mezzo interstellare (ISM).

73 Nel 1958, Hayakawa et al., stabilirono che le abbondanze dei secondari radioattivi potevano essere impiegati come orologi dei RC misurando il flusso (relativo) degli isotopi radioattivi e confrontandolo con quello aspettato se nessun decadimento fosse avvenuto. Per poter misurare il tempo di permanenza dei RC, un isotopo deve avere i seguenti requisiti: 1.La vita media dellisotopo radioattivo deve essere paragonabile alletà stimata dei RC. 2.Lisotopo deve essere un puro secondario, cioè non deve essere presente alle sorgenti. 3.Deve essere possibile calcolarne il rate di produzione durante la propagazione nel mezzo intergalattico. Lorologio dei Raggi Cosmici

74 AnniEsperimento Range Energetico (MeV/ nucl.) Isotopic Ratio 10 Be / Be Età (years) Referenze IMP7-IMP ± [1] 1980ISEE ±0.015 [2] Voyager I e II ±0.015 [3] Ulysses/HET Shuttle Discovery ±0.006 [4] 1997CRIS/ACE70-145… [5] [1] Garcia-Munoz, & Simpson ApJ 217: , 1977 [2] Wiedenbeck & Greiner ApJ 239: L139-L142, 1980 [3] Lukasiak et all. ApJ 423: ,1994 [4] J.J. Connell ApJ, 501: L59-L62,1998 [5] Wiedenbeck, Binns, Mewaldt et all. Adv. Space Res Vol. 27, No 4, pp ,2001 Risultati sperimentali dal Be

75 Stima del coefficiente =lnP/lnB V V V D =3/4V. Particelle relativistiche Onda di shock= Pistone Materiale trascinato dallonda di shock Il materiale (plasma ionizzato) si comporta come un gas monoatomico, con =c p /c v =5/3. Dalla teoria degli shocks, la velocità con cui il materiale viene trascinato è v D =3/4V Particella che rimbalza di nuovo upstream. Sarà soggetta di nuovo ad accelerazione Particella che passa downstream. Puo sfuggire e in tal caso on sarà soggetta di nuovo ad accelerazione

76 Il valore stimato di definito da Lequazione 4.6 B dalla eq. 4.1 Quindi, se (V/c) ¿ 1: E proprio quello misurato alle sorgenti! il modello rende conto dei dati osservati

77 Per determinare conservazione del flusso di particelle. Flusso di particelle relativistiche VERSO il fronte donda: Le particelle nella regione downstream non vengono di nuovo accelerate. Il flusso di queste particelle verso sinistra è: La probabilità che il RC oltrepassi il fronte donda e venga persa (ossia NON venga riaccelerato): Quindi, la probabilità che il RC rimanga nella regione di accelerazione:

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80 Elementi chimici: genesi White - Big Bang Pink - Cosmic Rays Yellow - Small Stars Green - Large Stars Blue - Supernovae

81 Lo spazio locale 250 anni luce5000 anni luce La galassiaLe galassie satellitiIl Gruppo LocaleL'ammasso di Virgo Superclusters di galassie L'intero Universo m ¼ 13.7 miliardi di anni luce ¼ 4 Gpc 1 UA = km 1 anno-luce (ly)= km 1 parsec (parallasse secondo) = 3.26 ly LUniverso e GRANDE

82 Dark Matter: 27§4% Dark Energy: 73§4% [Baryons: 4.4§0.4%, Luminous matter:»1%] The Universe is flat tot = 1.02§0.02 and will expand for ever The experimental facts: Evidence of dark components in the Universe 0.94<Ω CDM h 2 <0.129 (95% CL) (Cold dark matter) – normalized Hubble Constant h=0.71 ± 0.04

83 Abbiamo oggi una visione complessiva dellUniverso Abbiamo misurato –con precisione!- il contenuto energetico dell'universo, : solo una piccola parte e' composta da materia barionica –quella di cui siamo fatti noi. Queste misure sono l'evidenza sperimentale piu' diretta che abbiamo per la necessita' di "nuova" fisica, oltre quella che conosciamo ora Per il resto la darkness e' completa

84 Lesistenza di UHE RC suggerisce che, da qualche parte nellUniverso, ci potrebebro essere delle forze estremamente potenti che non comprendiamo ancora Qualsiasi modello serio di origine e formazione dellUniverso deve rendere conto di queste osservazioni Il mistero dei RC ad altissima energia

85 Cosa trasporta l'informazione alla Terra? i Raggi Cosmici

86 Unfortunately, UHECRs are rare. UHECR detection: Problem: very few UHECRs, big detectors are needed There have been 40 events with energies greater than 4 x eV (Auger has detected more now…) 7 events greater than eV Record: 3x10 20 eV by Flys Eye, Oct. 15 th 1991 Ultra High Energy Cosmic Rays: greater than ~10 18 eV One UHECR has enough energy to send a baseball (140g) flying at 27m/s (60mph)!


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