Le Nuove Astronomie Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy) marco.giammarchi@mi.infn.it http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/ Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali 4/18/2017 Planetario di Milano

Ma quali particelle ? 1. Introduzione Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Astronomia (ἀστρονομία) secondo la definizione: lo studio e la misura dei corpi celesti (gli astri). Tradizionalmente eseguito con metodi ottici. Le stelle si guardano ! O con metodi in ogni caso basati su radiazione elettromagnetica (visibile o no) Ma ora, che abbiamo imparato a conoscere le particelle subucleari… Possiamo fare nuove astronomie, studiando particelle che vengono dagli astri ! Ma quali particelle ? 4/18/2017 Planetario di Milano

Particelle elementari ? Ossigeno Idrogeno Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei Molecole: costituenti della materia Ipotizzate per comprendere la Chimica Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811) A loro volta le Molecole sono composte da Atomi Atomo = Nucleo, Elettroni L’Elettrone: una particella davvero elementare 4/18/2017 Planetario di Milano

A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da: I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari quark PROTONE quark quark Le particelle “elementari” sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna. Sono i mattoni costruttivi dell’Universo 4/18/2017 Planetario di Milano

Decadono in particelle stabili Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Materia ordinaria Sono elementari al meglio di 10-18 m Hanno spin e carica ben definiti Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Massa Costituiscono le particelle instabili Decadono in particelle stabili 4/18/2017 Planetario di Milano

Interazioni tra Particelle elementari Interazioni Gravitazionali Interazioni Nucleari Forti Interazioni Elettromagnetiche Interazioni Nucleari Deboli 4/18/2017 Planetario di Milano

Un esempio semplice: l’atomo di deuterio Interazioni elettromagnetiche Interazioni forti 10-15 m Quark: Cariche frazionarie Spin semi-intero 10-10 m Quark, elettroni e fotoni sono i Costituenti Fondamentali dell’Atomo 4/18/2017 Planetario di Milano

prendere particelle cariche Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa Planetario Milano - 20/11/2012

Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: CMS al CERN di Ginevra Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati CDF al Fermilab (Chicago) ATLAS al CERN di Ginevra Planetario Milano - 20/11/2012

2. Astronomia con fotoni Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Metodi ottici. I telescopi. Ma anche sfruttando una gamma molto estesa dello spettro elettromagnetico. In fondo, cosa è un fotone ? Un portatore del campo ondulatorio elettromagnetico. Può avere lungheze d’onda diversissime Cambia la frequenza, ma sempre di fotoni si tratta ! 4/18/2017 Planetario di Milano

Astronomia ottica (esempio) L’Astronomia dei grandi telescopi ottici (anche nello spazio, come Hubble) Keck Riflettori da 3 m Keck a Mauna Kea (Hawaii) 4/18/2017 Planetario di Milano

La scoperta della Radiazione Infrarossa (William Herschel,1800) Astronomia infrarossa (esempio) La scoperta della Radiazione Infrarossa (William Herschel,1800) Immagine infrarossa della Nebula Carina osservata dalla Wide Field Camera 3 dello Hubble Telescope. Lo spettro infrarosso è fortemente assorbito dall’atmosfera, rendendo spesso necessaria la rivelazione nello spazio. 4/18/2017 Planetario di Milano

Astronomia con le microonde (esempio) La radiazione cosmica di fondo è una delle prove del Modello del Big Bang Planck Mappa della radiazione cosmica di fondo ottenuta dal satellite Planck dopo la rimozione dei contributi dovuti a sorgenti locali e dell'anisotropia di dipolo. 4/18/2017 Planetario di Milano

1930: prima rivelazione di radiazione radio dalla Via Lattea Radioastronomia (esempio) 1930: prima rivelazione di radiazione radio dalla Via Lattea Planck Sistema interferometrico VLA, New Mexico M87 nell’ottico e nel Radio 4/18/2017 Planetario di Milano

Astronomia X (esempio) 1962: prima scoperta di radiazione X proveniente da sorgenti cosmiche (Riccardo Giacconi) Planck Molto utile per studiare gli oggetti altamente energetici dell’Universo L’osservazione di uno stesso oggetto astronomico in diverse lunghezze d’onda fornisce una incommensurabile ricchezza di informazioni 4/18/2017 Planetario di Milano

3. Raggi Gamma Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali A rigore, si tratta sempre di astronomia con fotoni. Stavolta le energie dei fotoni (> 100 keV) in gioco sono tali da richiedere tecniche di rivelazione che sono tipiche della fisica nucleare. Studio di oggetti astrofisici ad energie estreme : Supernovae, Hypernovae, Pulsars, Blazars, Gamma Ray Bursts. Anche ricerche di Materia Oscura. Nello spazio: INTEGRAL, Fermi Gamma Ray Space Telescope AGILE (un satellite italiano, Agenzia Spaziale Italiana, Istituto Nazionale di Astrofisica, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) Fermi Gamma Space Telescope : astronomia gamma fino a circa 200 GeV E’ una astronomia già ora: vi sono sorgenti gamma note nel Cosmo ! 4/18/2017 Planetario di Milano

Il centro della Galassia visto dal Fermi Gamma Ray Space Telescope 4/18/2017 Planetario di Milano

Il cielo a energie oltre 100 MeV visto da EGRET sul Compton Gamma Ray Observatory (2000) Il cielo a energie oltre 1 GeV visto dal Fermi Gamma Ray Space Telescope (2011) 4/18/2017 Planetario di Milano

Cerenkov Telescope Array (nel futuro) Astronomia Gamma a terra: l’uso dell’atmosfera (radiatore Cerenkov) permette di estendere verso l’alto l’intervallo energetico studiato. MAGIC (a destra) Cerenkov Telescope Array (nel futuro) Le energie ora sono quelle tipiche degli acceleratori 4/18/2017 Planetario di Milano

4. Raggi Cosmici Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Neutrini Onde Gravitazionali Particelle cariche che arrivano dallo spazio fino alle energie più elevate mai osservate per le particelle elementari I Raggi Cosmici, scoperti all inizio del ‘900 hanno una origine ancora sconosciuta. Possono provenire dall’interno della nostra Galassia ma anche dal Cosmo in generale. Possono venire studiati nello spazio oppure a terra, sfruttando la loro interazione con l’atmosfera terrestre. 4/18/2017 Planetario di Milano

Acceleratori terrestri e cosmici Affinche’ sia possibile creare/distruggere particelle elementari, occorre fornire energia concentrata in dimensioni piccolissime. Questo avviene negli acceleratori di particelle terrestri. O negli acceleratori cosmici. Acceleratore di particelle Pulsar Planetario Milano - 20/11/2012 21

e possono interagire nell’atmosfera. Sono i Raggi Cosmici Tra gli acceleratori galattici piu’ efficienti…. I Nuclei Galattici Attivi (AGN’s) Un AGN puo’ accelerare particelle che attraversano milioni di anni luce di spazio (che e’ quasi vuoto) Le particelle accelerate dagli AGN possono raggiungere il Sistema Solare e la Terra. e possono interagire nell’atmosfera. Sono i Raggi Cosmici Planetario Milano - 20/11/2012 22

AMS: Alpha Magnetic Spectrometer Ricerca antiparticelle nello spazio Lanciato nel Maggio 2011 Residente sulla Stazione Spaziale Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

E diventa sempre più flebile alle energie più elevate. Il flusso dei raggi cosmici si estende per molti ordini di grandezza in energia. E diventa sempre più flebile alle energie più elevate. Flusso sufficiente per rivelatori nello spazio (di area per forza limitata dal payload) Flusso che richiede lo studio in forma indiretta, tramite l’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera. Si osservano gli Sciami Atmosferici 1 GeV Un protone in LHC 4/18/2017 Planetario di Milano

L’aumento di energia richiede tecniche diverse Le energie più alte arrivano fino a 1020 eV, pari a 30 Joule ! L’energia di una persona di 60 kg che si sposti con una velocità di 1 m/s Una energia macroscopica concentrata in una particella elementare ! 4/18/2017 Planetario di Milano

Principio di funzionamento del rivelatore Pierre Auger Rivelazione della fluorescenza atmosferica Rivelazione di impatto a Terra Alle immense energie di Auger (e del Telescope Array) non è ancora una astronomia. Non vi sono sorgenti identificate di Raggi Cosmici di Ultra-Alta Energia 4/18/2017 Planetario di Milano

Rivelatore di superficie dell’Osservatorio Auger Planetario di Milano - 27 Ottobre 2011

5. Neutrini Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Le particelle conosciute che hanno interazione più debole di tutte Una astronomia dei neutrini è già iniziata. Le sorgenti astronomiche di Neutrini note da tempo sono : La Terra - attraverso la radioattività naturale del mantello e della crosta. I neutrini vengono emessi dai decadimenti beta dei nuclidi radioattivi naturali Il Sole - attraverso le reazioni di fusione che avvengono nel nucleo. I neutrini vengono emessi nei processi deboli. La Supernova 1987A . I neutrini sono il modo più efficace col quale la stella perde la sua energia, cambiando di dimensione. 4/18/2017 Planetario di Milano

Produzione di energia : al centro del Sole. Energia, fotoni, neutrini Il caso del Sole Produzione di energia : al centro del Sole. Energia, fotoni, neutrini Energia associata ai fotoni: 200 mila anni di tempo per uscire dal Sole ! I neutrini escono dal Sole in 2 secondi ! Energia associata ai neutrini ? Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012 29 29

Rivelazione di neutrini (esempio: Laboratorio Gran Sasso) I neutrini sono particelle elementari Nel caso dei Neutrini Solari, raggiungono la Terra in 8 minuti rivelabili per mezzo di urti nucleari con altre particelle Ad esempio: diffusione elastica sugli elettroni del mezzo Gli elettroni (carichi!) lasciano un segnale rivelabile Planetario di Milano - 21 Febbraio 2012

La ricerca di neutrini da sorgenti cosmiche : ANTARES al largo della Costa Azzurra. 4/18/2017 Planetario di Milano

Lo sviluppo di rivelatori sottomarini su grande scala è una affascinante sfida tecnologica 4/18/2017 Planetario di Milano

situato in una miniera giapponese) …e la risposta di questi rivelatore è una question «planetaria» (qui Superkamiokande situato in una miniera giapponese) 4/18/2017 Planetario di Milano

La ricerca di neutrini da sorgenti cosmiche : ICECUBE al Polo Sud. Rivelatore costituito da sensori di luce distribuiti a grande profondità nel ghiaccio antartico 4/18/2017 Planetario di Milano

ICECUBE : identificazione di Neutrini dal Cosmo ! "Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector," IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al. Science 342, 1242856 (2013). DOI: 10.1126/science.1242856 28 neutrini cosmici segnano l’inizio della nuova astronomia a neutrini 4/18/2017 Planetario di Milano

Il grande vantaggio dei neutrini come «puntatori cosmici» : A causa della loro scarsa propensione a interagire con la materia, possono penetrare regioni dense dello spazio. A causa della loro neutralità elettrica possono propagarsi senza essere deviati dai campi magnetici della nostra galassia (ed extragalattici). 4/18/2017 Planetario di Milano

Rappresentazione dello spaziotempo 6. Onde Gravitazionali Introduzione Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali La Relatività Generale e’ la attuale migliore teoria della Gravitazione. La gravità è descritta come una proprietà geometrica dello spaziotempo. Massa Energia Rappresentazione dello spaziotempo 4/18/2017 Planetario di Milano

Il meccanismo di emissione di onde gravitazionali Il Radiatore Elettromagnetico (dipolo oscillante) Cariche in movimento emettono onde elettromagnetiche Scoperte da Hertz nel 1886 Radiatore gravitazionale (quadrupolo oscillante) Masse in movimento emettono onde gravitazionali Non ancora scoperte 4/18/2017 Planetario di Milano 38

Perturbazione gravitazionale Onde Gravitazionali : perturbazioni dello spaziotempo dovute al movimento delle masse (energie). Si propagano alla velocità della luce. Esempio: due stelle di neutroni che orbitano rapidamente l’una intorno all’altra Ma quale è l’effetto di un’Onda Gravitazionale ? Tipica variazione della lunghezza L Perturbazione gravitazionale 4/18/2017 Planetario di Milano

Si tratta di un effetto in generale debolissimo: L’Interferometro italo-francese VIRGO (Cascina, Pisa) per la rivelazione delle Onde Gravitazionali 4/18/2017 Planetario di Milano

Riassumendo (penultima trasparenza): Quali (e quante) Astronomie per studiare il Cosmo ?! Nella sua maturità. Ma con sempre grandi margini di miglioramento (anche se fosse “solo” tecnologico. Ma non lo sarà mai). Astronomia con fotoni Raggi Gamma Raggi Cosmici Neutrini Onde Gravitazionali Iniziata e nella sua infanzia/adolescenza. Identificate molte sorgenti gamma. In fase di studio. Deve ancora nascere. Appena nata. Auguri! In fase di studio. Deve ancora nascere. 4/18/2017 Planetario di Milano

Grazie per la vostra attenzione Per concludere: uno sguardo al Cosmo intero Le nuove astronomie come radiazioni fossili dell’Universo primordiale: CMB (primi 300,000 anni di storia universale) Neutrini (primi 10 secondi di storia universale) Onde Gravitazionali (primi 10-36 secondi di storia universale) Grazie per la vostra attenzione 4/18/2017 Planetario di Milano