Auger: un occhio gigante sui misteri dell’Universo Michelangelo Ambrosio - INFN Sezione di Napoli Scuola di Otranto - Settembre 2012

Michelangelo Ambrosio Ringraziamenti Questo terzo talk riporta i risultati ottenuti finora dalla collaborazione Auger. Essi sono quindi il frutto del lavoro di circa 400 fisici che da circa 20 anni sono impegnati nella progettazione, costruzione, messa a punto e gestione del più grande apparato del mondo. 3.000 km2 sono una estensione di terreno più grande delle provincie di Napoli e Caserta messe insieme. Nell’analisi dei dati si deve addirittura tenere conto della curvatura terrestre. Le trasparenze che seguono sono tratte da talk ufficiali. In alcune di esse compare il nome dell’autore. La maggior parte delle trasparenze senza nome sono state attinte da varie presentazioni, principalmente quelle di Lorenzo Perrone, Università di Lecce, che ringrazio per la sua collaborazione. Michelangelo Ambrosio XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare - Otranto, 21-27 Sept. 2012

Perchè studiare i raggi cosmici ? I raggi cosmici primari costituiscono l’unico campione diretto della materia esistente al di fuori del sistema solare

Perchè studiare i raggi cosmici di energia estrema ? Perché sono un mistero (origine, composizione, accelerazione, propagazione, energia) Perchè potrebbero rivoluzionare l’astrofisica, e non solo (modelli teorici non definitivi, anzi in crisi a queste energie) Perchè forniscono un potente strumento di indagine scientifico (energie in gioco difficilmente raggiungibili con acceleratori). Nemmeno il grande acceleratore superconduttore LHC con il suo limite di ~14 TeV (1016 eV) può competere con i Raggi Cosmici più energetici! Perché sono una sonda dei fenomeni più violenti presenti nell’Universo (AGN, collassi stellari, fusione di galassie, buchi neri, etc.) Perché probabilmente provengono dall’esterno della nostra galassia e sono quindi i messaggeri dell’Universo Esterno.

AUGER Questioni aperte Le discrepanze tra Hires e AGASA sono dovute a: Errori sperimentali (bassa statistica)? Sistematiche sperimentali? Diversa stima dell’energia (fluorescenza vs array)? Diversa valutazione dei Montecarli? Influenza della componente muonica superiore alle attese? Soluzione: Un apparato ibrido che rivelasse gli stessi eventi contemporaneamente con le due tecniche e abbastanza grande da cumulare in poco tempo alta statistica. AUGER

Spettro 2011

SD energy spectrum

Spettro di energia FD + SD Chiara evidenza del Cut-Off Il modello GZK è reale e limita l’energia dei raggi cosmici rivelabili!

Transizione galattico-extragalattico Transizione a E ~ 1017.5 EeV

GZK Gli UHECR consentono di tracciare una mappa delle loro sorgenti perché la loro energia è tale che non subiscono deviazioni importanti per effetto dei campi magnetici galattici e intergalattici. Più alta è la loro energia minore è la deviazione e maggiore è il cammino che possono fare senza deviazioni significative. L’interazione con la radiazione di fondo degrada l’energia e pone un limite severo all’osservazione, per cui il limite GZK si traduce in limite alla distanza in cui le sorgenti possono essere osservate. Alle sorgenti degli UHECR si può risalire osservando eventuali anisotropie rispetto alla distribuzione uniforme delle direzioni di arrivo di questi raggi cosmici.

Mappa del cielo visto da Auger Direzioni di arrivo di eventi con E0 > 5.7 EeV

Una delle sorgenti: Centaurus A

Risultati Auger main anisotropy result ■ Highest energy cosmic rays have an anisotropic distribution! ■ First evidence that cosmic-ray astronomy is indeed possible! ■ Correlation with the most nearby AGNs in the 12° Véron-Cetty/Véron catalogue ■ Opening of a new era: Study of particle acceleration in high-energy astrophysical sources Multi-messenger study of sources High-energy physics!

Il PUZZLE della composizione degli UHECR All’aumentare dell’energia la massa diventa piu’ pesante!

Confronti con altri esperimenti come è possibile che la massa del primario aumenti all’aumentare della sua energia? Auger e HiRes non sono compatibili per E>1018.5 EeV. Invece Auger e TA sono compatibili entro gli errori sperimentali

Misura della sezione d’urto p-aria N indica la frazione di eventi che presentano Xmax a bassa quota. Quindi ragionevolmente si tratta di protoni.

Cross section p-air and p-p

Neutron point sources

Photon initiated showers Important because photons, not being deviated from galactic magnetic fields, indicate stellar sources

Photon flux measurement

Neutrino detection Important because neutrinos, not being deviated from galactic magnetic fields, indicate stellar sources

Neutrino signature The neutrino search is based on the detection of very inclined showers (~80°) coming from Ande mountains

Esempio di sciame orizzontale 31 tank coinvolte!

Neutrino flux limit

SD Auger enhancement: INFILL

FD Auger enhancement: HEAT

Futuro di AUGER Auger ha risposto alle maggiori domande dell’astrofisica del nuovo secolo misurando il flusso degli UHECR, dimostrando l’esistenza del cut-off del GZK, misurando la sezione d’urto p-aria e pp a energie ben superiori a LHC, individuando negli AGN le sorgenti degli UHECR e dando i limiti per i flussi di neutroni, gamma e neutrini, le uniche particelle non deviate dai campi magnetici galattici. Ma, come (fortunatamente) spesso accade nella fisica oltre che le risposte date si trovano nuovi fenomeni che indicano nuove vie.

Il puzzle dei mu Il contenuto di mu stimato negli eventi di Auger non si accorda con nessun Montecarlo. Può essere la causa della stima di una composizione pesante?

Interazione adronica in EAS L’interpretazione e lo studio degli EAS sono limitati dalle conoscenze delle interazioni adroniche di alta energia: processi “soft” non calcolabili con QCD perturbativa sezioni d’urto estrapolate ad energie più alte di quelle raggiungibili agli acceleratori urti nucleone-aria, nucleo-aria (teoria di Glauber) La regione cinematica di interesse (alta pseudorapidità |η| >6) è caratterizzata da una bassa molteplicità di particelle secondarie prodotte e da un’alta energia ad esse trasferita, e complementare alla regione osservabile ai colliders

UHECR come il fascio di un acceleratore I raggi cosmici sono particelle emesse da sorgenti galattiche o extragalattiche e coprono uno spettro di energia che arriva fino a E0 > 1020 eV. L’Universo quindi, con le sue sorgenti e i suoi campi magnetici, funziona come un acceleratore. L’atmosfera terrestre funziona come un enorme calorimetro. Le particelle da rivelare come prodotti secondari dell’interazione con l’aria sono elettroni e muoni. Finora gli array hanno rivelato solo elettroni. E’ possibile rivelare anche i mu di uno sciame?

KURD: Cosmic rays as accelerator beam Study of hadronic interactions

La nuova sfida di Auger Prolungare la presa dati fino al 2025 installando nuovi rivelatori e adeguando quelli esistenti per potere rivelare sia gli elettroni sia i mu. Si vuole inoltre ricostruire lo sviluppo dello sciame in atmosfera sia degli elettroni (fluorescenza) sia dei mu (Come?) R&D in atto: Rivelatori underground (scintillatori o RPC) Estrapolazione del segnale dei mu dal segnale delle tank; Per risalire all’altezza di produzione dei m lungo l’asse dello sciame si conta sulla misura accurata dei tempi di arrivo dei mu rispetto a quello del fronte dello sciame nel core.

Potenzialità delle nuove tecniche Possibilità di stimare la massa del primario con grande accuratezza evento per evento!

Doppio cross-check su Xmax Per distinguere tra protoni e ferro si avrebbe un altro potente strumento: il confronto tra le Xmax della parte e.m. ricavato dalla fluorescenza e il confronto tra gli Xmax ricavati dalla rivelazione dei m.

La scommessa

AMIGA project AMIGA (Auger Muons and Infill for the Ground Array) Auger spacing 1.5km AMIGA (Auger Muons and Infill for the Ground Array) Double graded SD infill Buried Muon counters 750m spacing 433m spacing The AMIGA project is the combination of a double graded surface detector infill and buried muon counters associated with it. In the figure of the left, it can be seen the size of the AMIGA infill and its location. In the top right there is an scheme of the double graded infill of 750 and 433m spacing, and the black lines are the field of view of HEAT. The picture of the bottom right is a picture taken of an Auger detector and it is also shown how we plan to measure the muon content of the particle shower by buring the muon counters 3m underground to use the soil as shielding for the electromagnetic component. 3 m µ e±, 

Il primo eclatante risultato di AMIGA (Electron LDF) (Muon LDF)

La prima ricostruzione di Xmmax ottenuta dai tempi di arrivo dei m nelle tank!

Un gigantesco occhio sull’Universo Behind 2015 Auger quindi si avvia a diventare il più grande, ma anche il più completo e complesso, apparato per la rivelazione di raggi cosmici di energia estrema. Un gigantesco occhio sull’Universo Inoltre è diventato anche terreno di sperimentazione di nuove tecniche di rivelazione degli UHECR

Auger: il primo osservatorio di astroparticelle campo sperimentale per nuove tecniche di rivelazione degli UHECR L’osservatorio Auger si avvia quindi a diventare lo strumento più completo mai costruito per l’osservazione del profondo Universo. La ricostruzione dei mu a terra e in atmosfera permetterà di definire evento per evento massa ed energia. La misura accurata della direzione di arrivo per E0 > 1019 eV permetterà di individuare le sorgenti di tali oggetti creando una mappa del cielo e inaugurando una nuova era: la telescopia astroparticellare. Al contempo la vastità e complessità dell’apparato permette la sperimentazione in situ di molte tecniche innovative di rivelazione degli UHECR

Grazie per la vostra attenzione! Michelangelo Ambrosio - INFN – Sezione di Napoli - Italy