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

… per fare ciò ci vogliono “occhi adatti”… 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”… IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

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 Radio Infrarosso Ottico Raggi - X Pulsar Le osservazioni a diverse lunghezze d’onda rivelano dettagli invisibili nell’ottico. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

L’Universo L’Universo è composto da Stelle raccolte in Galassie per 1011 Galassie IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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 IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

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

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

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

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

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

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

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. Gravità IN Pressione OUT Durante tutta la vita di una stella queste 2 forze determinano le condizioni di equilibrio e gli stadi evolutivi. Durante il processo di Fusione Nucleare vengono bruciati in successione nuclei di tutti gli elementi chimici a partire dall’Idrogeno. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

Da dove proviene l’energia ? Quando la temperatura raggiunge circa 15 milioni di gradi inizia la Fusione Nucleare al centro di una stella 4 (1H) 4He + 2 e+ + 2 neutrini 4 atomi di Idrogeno si fondono e producono 1 atomo di Elio 1 4He + 2 e+ + 2 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 IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

L’inizio della fine… Supernova 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 IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

Supernova 1987a nella Grande Nube di Magellano Prima Dopo IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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 !!! IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

Quali Particelle formano i Raggi Cosmici ? elettrone nucleo (protoni + neutroni) 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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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 … IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

L’energia dei Raggi Cosmici V = 1 Volt e- E = 1 eV L’energia dei R.C. si misura in elettron-volt 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 (1020 eV) !!!! Queste sono energie così elevate che non si riescono a raggiungere sulla Terra neanche con gli acceleratori più potenti. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

Lo Spettro dei Raggi Cosmici Knee 1 p/(m2y) 1 p/(km2y) 1 p/(m2sec) Origine Galattica Origine Extra-Galattica Fino a 1020 eV !!! IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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” !!! IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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 = 3.1 1013 km =2 105 A.U. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

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....... ????? IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

I Nuclei Galattici Attivi Milioni di anni luce !!! 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) IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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 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!) IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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 IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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) IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

Rivelatori di Raggi Cosmici Telescopi Cerenkov Satelliti Rivelatori di sciami 106 109 1012 1015 1018 eV Energia IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

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

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

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 IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

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

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

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

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 La superficie con i rivelatori Un rivelatore IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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. IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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) IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

…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) IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli

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

L’impegno dell’INFN Raggi Cosmici Cream AMS-2 Pamela Auger 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 Onde Gravitazionali Virgo Antenne Criogeniche Neutrini Nemo IDIS - 9 Feb. 2005 B. D'Ettorre Piazzoli