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

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’ dell’atmosfera dallo spazio esterno

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

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 l’atomo di idrogeno Teoria di Bohr dell’atomo Relativita’ generale di Einstein

Fisica dei raggi cosmici Fisica delle particelle = Fisica delle particelle

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

Cosa impariamo dai raggi cosmici Quali elementi ci sono nell’Universo Da dove vengono Come sono prodotti Come si propagano fino alla Terra

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)

Lo spettro energetico dei RC primari GeV = Giga elettronvolt 1 eV = 1.6021£ 10-19 Joule Lo spettro differenziale e' il numero di particelle che attraversano l'unita' di superficie per unita' di tempo, di angolo solido e di energia Particles produced by Sun Galactic and extragalactic particles Kin energy (MeV/Nucleon)

Si estende per 13 ordini di grandezza in energia TOT~10000 m-2s-1sr-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 Man made accelerators ~E-2.7 Le energie più elevate misurate sono E1020 eV = Energia cinetica palla da tennis @100 km/h ~E-3.0 ~E-3.3 ~E-2.7 1 TeV Le energie più elevate in gioco nei RC sono irraggiungibili agli acceleratori

 da informazioni sui processi di accelerazione alle sorgenti e di propagazione nel mezzo interstellare delle particelle ~E-2.7 ~E-3.0 ~E-3.3 ~E-2.7 1 TeV

I Raggi Cosmici sulla Terra I RC bombardano continuamente la Terra: circa 100000 particelle originate dai Raggi Cosmici ci attraversano ogni ora. Questo contribuisce alla dose di radioattività ambientale a cui siamo continuamente soggetti.

Isotropia Contiamo quante particelle arrivano da una data direzione del cielo Log E (eV) d(%) 12 ~0.05 14 ~0.1 16 ~0.6 18 ~2 19-20 ~20+ Se il numero e’ lo stesso in tutte le direzioni il flusso si dice isotropo I RC primari al di sotto di 1018 eV hanno una distribuzione di arrivo completamente isotropa sulla sommità della nostra atmosfera. Qualè il motivo? La direzione di arrivo dei RC da informazioni sulla loro origine

La Via Lattea Campi magnetici galattici : B  310-6 G (campo geomagnetico 1 G, magnetino da frigorifero 100 Gauss) Galassia disco di raggio R=15 kpc, spessore h=200-300 pc, contiene stelle, gas, polvere, campi magnetici

Confinamento dei RC Usiamo i valori tipici del campo B (310-6 G) per protoni: Il raggio di Larmor dei p è sempre < dello spessore del disco galattico (300 pc) se E<1018 eV tutti i RC (meno quelli di energia estrema) sono confinati nel galassia dal campo magnetico  sono di origine galattica Chandra X-ray image of Sgr A*

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 B field direction 1 EeV = 1018 eV 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

Isotropia Pierre Auger Collaboration 2007, Science, 318, 939 Pierre Auger Collaboration 2008, APh, 29, 188 Log E (eV) d(%) 12 ~0.05 14 ~0.1 16 ~0.6 18 ~2 19-20 ~20+ I RC di energia piu’ elevata (<1018 eV NON sono di origine galattica poiche’ non posso essere contenuti dal campo magnetico galattico e sono ANISOTROPI. La direzione dell’eccesso massimo e’ vicina a quella del supercluster locale di galassie Note that the anisotropy is generally small at low energies but increases towards high energies. The direction of the maximum excess at the highest energies is close to that of the local supercluster of galaxies. A bassa energia il flusso e’ completamente isotropo Punterebbero alle sorgenti ma ne arrivano troppo pochi (1 RC/km2/anno) per poter essere rivelati con precisione

Abbondanze degli elementi nella Galassia Le abbondanze “primordiali” degli elementi sono fissati dalla cosmologia: 24% (in massa) di 4He 76% (in massa) di H La nucleosintesi nelle stelle provvede alla sintesi degli elementi più pesanti Le esplosioni stellari hanno una vita media << all’età dell’Universo e provvedono a rifornire l’ISM

Abbondanze relative dei RC e del sistema solare (SSA) Idea! Usiamo queste differenze per stimare quanto materiale attraversano i RC per arrivare fino a noi: es. misuriamo il rapporto B/C 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 J.A. Simpson, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 33 (1983) 323

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/cm3) Spallazione = fissione nucleare Dipende dalle sezioni d’urto di reazione nucleare e dalla quantita’ di materiale attraversato Quale quantità di materiale: x=rL (gcm-2) i nuclei M devono attraversare per produrre, nel rapporto osservato, gli elementi L. 48 gr/cm2, equivalente a uno spessore di circa 50 cm di acqua

Dipendenza del rapporto B/C vs. E 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, all’aumentare dell’energia 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

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

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 l’energia del tipo ~E-2.

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 l’energetica delle sorgenti? (necessaria per individuarle). Il tempo di confinamento dei RC: t= 3107 y Volume della galassia (con o senza alone) : Potenza richiesta per mantenere uno stato stazionario di RC:

Esiste un meccanismo con una potenza tale da sostenere il flusso dei RC nella Galassia? Una esplosione di Supernova libera: 1051 erg/esplosione La stima della frequenza di SN nella nostra Galassia è fSN = 1/tSN = 1/30 y-1 Potenza energetica liberata dalle SN: NB: 1Mton =4.18£1019 erg La bomba piu’ potente e’ di 50 Mton 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

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)

L’espansione avviene a velocita’ supersonica Esplosione = liberazione di energia in un volume limitato in tempo molto breve. Il gas caldo dei prodotti dell’esplosione si espande nel mezzo (aria nel caso di esplosioni in atmosfera, mezzo interstellare nel caso delle supernovae) L’espansione avviene a velocita’ supersonica Davanti alla bolla in espansione si crea un’onda d’urto (blast shock wave) in cui il mezzo e’ compresso e turbolento CasA Supernova Remnant in X-rays Shock fronts Tipiche V » 20.000 km/s ' 6% della velocita’ della luce! Tipiche velocita’ del suono nel mezzo interstellare 10-100 km/s

Accelerazione di Fermi del primo ordine vcl v cosq Campi magnetici Scattering elastico x 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 = Eo(1+)k # di particelle con energia E Dalla fluidodinamica (teoria degli shock) E’ proprio quello misurato alle sorgenti!  il modello rende conto dei dati osservati

Un modello giocattolo per il meccanismo di Fermi al I ordine v v Velocità nel lab Urto n. 1 +2V 2 -6v 3 +14v ….

Sommario

Accelerazione a E>100 TeV Le supernovae sono in grado di spiegare lo spettro dei RC fino a energie di circa 1016 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 g con E>1012 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)

Sappiamo tutto?

Ultra High Energy RC: il mistero Problem: UHECRs dovrebbero perdere energia quando essi viaggiano nell’ISM Le interazioni con il CMB dovrebbero o distruggerli o rallentarli Esiste un limite superiore sull’energia dei RC da sorgenti distanti: GZK cutoff p+°CMB  ¢  ¼§, ¼o,… …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 “GZK cutoff” says that the sources for producing particles with greater than 6x10^19eV are too far away for the cosmic ray to reach Earth. The distance between the source and the Earth then would be too great, and the particle would eventually lose more energy than it would need for it to keep on going.

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

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

I fatti sperimentali: evidenza di componenti oscure nell’Universo L’evidenza di componenti oscure nella densita’ di energia materia dell’Universo viene da molte osservazioni indipendenti a differenti scale CMB Large Scale Structure Rotation curves of galaxies Galaxy clusters Lensing SN Ia GB, Hooper & Silk, hep-ph/0404175. Bergstrom, hep-ph/0002126. Jungman et al, hep-ph/9506380

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

Energia oscura La legge di Hubble ci dice che la velocita' di recessione delle galassie e' proporzionale alla distanza dall'osservatore Con H0 ' 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)

COSMOLOGIA DI PRECISIONEFISICA FONDAMENTALE 1- Eta’ dell’ universo 13.7 ± 0.1 (1%)£109 anni 2- 4% Materia visibilequella di cui siamo fatti noi 23% Materia oscura sconosciuta 73% Energia oscura sconosciuta2 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!!

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

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

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

MATERIA OSCURA : i candidati Identikit: Neutri : - privi di carica elettrica  altrimenti interagirebbero e.m. - privi di carica di colore  altrimenti potrebbero formare stati legati nucleari anomali  Stabili e pesanti: altrimenti sarebbero già decaduti o sarebbero troppo pochi  Debolmente interagenti con la materia ordinaria  Rivelabili (!) : un buon candidato deve essere anche rivelabile Meccanismo di formazione e abbondanze fissati dalla cosmologia:  Freeze out quando viene raggiunta la condizione di uscita dall’equilibrio : 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 l’espansione dell’Universo

Fisica delle particelle: La Supersimmetria La “Supersimmetria” risolve molti problemi teorici ed introduce per ogni particella nota un compagno “supersimmetrico” 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 Putroppo fino ad adesso nessuna particella supersimmetrica e’ stata trovata… Ma se esistono non possono essere molto piu' pesanti di 100 GeV...non sfuggiranno alla ricerca a LHC

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 l’abbondanza 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  Stabili : altrimenti sarebbero già decaduti  Debolmente interagenti con la materia ordinaria  Rivelabili (!) : un buon candidato deve essere anche rivelabile

Ams aprile 2011

Fisica delle particelle Astrofisica Astrofisica delle particelle Fisica delle particelle Cosmologia

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

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

The EW Symmetry Breaking Classical = + − Fermion loops l eL eR Robust unification of couplings at high energy E, GeV With SUSY Without SUSY mh ~ 100 GeV, L ~ 1019 GeV  cancellation to 1 part in 1034 We expect new physics (SUSY, extra dimensions, something!) at Mweak»100 GeV Adding SUSY bosonic loops the divergence disappears as they contribute with a relative minus sign wrt the fermionic loops: m»(/2)(m2B –m2F) Good for Cosmology/baryogenesis (DM, more CP violating phases)

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

La storia termica dell’universo

de

Sommario I raggi cosmici nella loro vita attraversano 5-10 g/cm2 di materia. La composizione chimica varia durante la propagazione Lo spessore diminuisce al crescere dell’energia dei RC Sorgente Astrofisica (Resto di Supernova) Raggio Cosmico Primario (protone, nucleo) Lo spessore trasversale della galassia e’ » 10-3 g/cm2 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 Atmosfera Terrestre

Parentesi semiseria 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? 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...

Event rate = Luminosity x Cross section Is the LHC safe ? Colliders Event rate = Luminosity x Cross section Event rate at 14 TeV = 1034 cm-2 s-1 x 100 * 10-27 cm2 = 109 events per second = 1016 events per year of LHC = 1017 events per 10 years of LHC

LHC at 14 TeV = Cosmic rays at 1015 eV Is the LHC safe ? Cosmic rays LHC at 14 TeV = Cosmic rays at 1015 eV Event rate = Cosmic ray flux measurements x Surface of the Earth ' 1.6x109 s-1 Age of the Earth ' 5x109 yrs = 1.5x1017s Event number above 1015 eV = Cosmic ray flux measurements x Surface of the Earth x age of the Earth= 2x1026 events so far

Is the LHC safe ? So just on Earth Nature has already performed 109 LHC programs And the Earth is still here And the Sun is 104 times the area of the Earth And the Sun is still here And there are 1011 stars in our galaxy And there are 1011 galaxies in the Universe …

Fine parentesi

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-xdE con x = 2.73 § 0.05 per p x = 2.87 § 0.08 per He x' 2.5 per Z>2 The diagram shows the energy spectra of cosmic ray particles, sorted according to particle type. The spectra are well-characterized as a power-law with a cut-off below about 1 GeV per nucleon (1.109 eV per nucleon). This cut-off is affected by solar activity - the fluxes of low energy particles decrease during periods of high solar activity, and increase when the Sun’s activity is low. The cut-off itself is due to the particles having to diffuse in towards the Earth from interstellar space through the outflowing solar wind. The effect is known as solar modulation. The differential spectrum (at higher energies) can be written: N(E) = K.E-x where x is in the range 2.5 to 2.7. La forma degli spettri fornisce informazioni sui processi di accelerazione. Le differenze fornsicono informazioni sulla propagazione dalle sorgenti fino alla terra

Supernova energetics

Quindi: i RC, perché presentino il rapporto R osservato sulla Terra, devono avere attraversato nella Galassia uno spessore di “materiale equivalente” pari a xT=4.8 g cm-2 . Poiché la Terra non ha una posizione privilegiata nella Galassia, un qualsiasi altro osservatore misurerebbe lo stesso numero. PML = 0.28 lM = 6.0 g cm-2 lN = 8.4 g cm-2 R = NL/NM = 0.25

Quali isotopi si usano: il Berillio Nuclide tD Tipo di Decadimento 7Be* --------- Stabile. 9Be _________ Stabile 10Be 1.6 106 y b- Il Be è stato il primo elemento ad essere usato per calcolare l’età dei RC. Risulta quindi il più studiato. Ma anche altri isotopi possono essere usati : 26Al 7.1 105 y b- 36Cl 3.0 105 y 54Mn ~6.3 105 y b-, b+ * Il 7Be 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

Misure con altri isotopi “OROLOGIO” RANGE (MeV/Nuc) ESPERIMENTO ETA’ (in Myr) 26Al 125-300 68-200 35-92 60-185 ACE/CRIS ULYSSES VOYAGER ISEE-3 21.0 (+2.4 ,-1.9) 26.0 (+4.0 , -5.0) 13.5 (+8.5, -4.5) 9.0 (+20.0, -6.5) 36Cl 150-350 68-238 25.0 (+4.2, -3.4) 18.0 (+10.0, -6.0) 54Mn 178-400 68-320 29.6 (+2.2, -3.4) 14.0 (+6.0, -4.0) Il tempo di residenza dei RC nella galassia e’ dell’ordine di alcune decine di milioni di anni

Sciame di particelle secondarie = RC Primari e Secondari Raggio Cosmico Primario (protone, nucleo) 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 l’atmosfera Sciame di particelle secondarie = RC secondari Atmosfera Terrestre

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

RC secondari Lo spessore dell’ atmosfera equivale a 10 m di acqua 1. Flusso sulla sommità (H=0 gcm-2): 10000 m-2 s-1sr-1 p (90%), He (9%), A (1%) 2. Flusso a livello del mare (H=1000 gcm-2): 200 m-2 s-1sr-1 Muoni, neutrini, e+e-, g H=300 km H=0

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.

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) Pions are also made up of quarks They are produced as secondary CRs Pion p+ = ud 26 ns lifetime – decay into m+, um p- = du 26 ns lifetime – decay into m- , um p0 = uu + dd 1 x 10-17 s lifetime – decay into gg Pions are in the same family of particles (hadrons) as protons and neutrons because they are made up of quarks. Muons have negative electric charges and are in the same family of particles (leptons) as electrons . Muons are produced when pions decay... They are the secondary cosmic rays that reach the Earth’s surface. We look for them to detect that a primary cosmic ray has reached Earth’s atmosphere

Produzione di Li, Be, B nei RC 6Li,Be,B sono catalizzatori delle reazioni di nucleosintesi. Ciò significa che NON sono rilasciati al termine della vita stellare. Il solo 7Li ha una piccola percentuale di origine cosmologica, mentre 6Li,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 l’origine di questi elementi rari?  Reeves, Fowler & Hoyle (1970) ipotizzarono la loro origine come dovuta all’interazione dei RC (spallazione e fusione di a + a) con il mezzo interstellare (ISM).

L’orologio dei Raggi Cosmici 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: La vita media dell’isotopo radioattivo deve essere paragonabile all’età stimata dei RC. L’isotopo deve essere un “puro secondario”, cioè non deve essere presente alle sorgenti. Deve essere possibile calcolarne il “rate” di produzione durante la propagazione nel mezzo intergalattico.

Risultati sperimentali dal Be Anni Esperimento Range Energetico (MeV/ nucl.) Isotopic Ratio 10Be / Be Età (years) Referenze 1977-1981 IMP7-IMP8 31-151 0.028 ± 0.014 [1] 1980 ISEE-3 60-185 0.064±0.015 [2] 1977-1991 Voyager I e II 35-92 0.043±0.015 [3] 1990-1996 Ulysses/HET Shuttle Discovery 68-135 0.046±0.006 [4] 1997 CRIS/ACE 70-145 … [5] [1] Garcia-Munoz, & Simpson ApJ 217: 859-877, 1977 [2] Wiedenbeck & Greiner ApJ 239: L139-L142, 1980 [3] Lukasiak et all. ApJ 423: 426-431,1994 [4] J.J. Connell ApJ, 501: L59-L62,1998 [5] Wiedenbeck, Binns, Mewaldt et all. Adv. Space Res Vol. 27, No 4, pp 727-736,2001

Stima del coefficiente a=lnP/lnB Onda di shock= Pistone Il materiale (plasma ionizzato) si comporta come un gas monoatomico, con g=cp/cv=5/3. Dalla teoria degli shocks, la velocità con cui il materiale viene trascinato è vD=3/4V . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . Particelle “relativistiche” . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . VD=3/4V V V q Materiale trascinato dall’onda di shock Particella che passa downstream. Puo’ sfuggire e in tal caso on sarà soggetta di nuovo ad accelerazione Particella che rimbalza di nuovo upstream. Sarà soggetta di nuovo ad accelerazione

Il valore stimato di a g (a) definito da L’equazione 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

Per determinare a  conservazione del flusso di particelle. Flusso di particelle relativistiche VERSO il fronte d’onda: 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 d’onda e venga persa (ossia NON venga riaccelerato): Quindi, la probabilità che il RC rimanga nella regione di accelerazione:

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

GRANDE L’Universo e’ L'intero Universo Superclusters di galassie Le galassie satelliti L'ammasso di Virgo Il Gruppo Locale 5000 anni luce 250 anni luce La galassia Lo spazio locale 1 UA = 150.000.000 km 1 anno-luce (ly)= 9.500.000.000.000 km 1 parsec (parallasse secondo) = 3.26 ly L’Universo e’ GRANDE 1026 m ¼ 13.7 miliardi di anni luce ¼ 4 Gpc

The experimental facts: Evidence of dark components in the Universe 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 0.94<ΩCDM h2<0.129 (95% CL) (Cold dark matter) – normalized Hubble Constant h=0.71 ± 0.04

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

Il mistero dei RC ad altissima energia L’esistenza di UHE RC suggerisce che, da qualche parte nell’Universo, ci potrebebro essere delle forze estremamente potenti che non comprendiamo ancora Qualsiasi modello serio di origine e formazione dell’Universo deve rendere conto di queste osservazioni

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

Unfortunately, UHECRs are rare. Ultra High Energy Cosmic Rays: greater than ~1018 eV One UHECR has enough energy to send a baseball (140g) flying at 27m/s (60mph)! UHECR detection: Problem: very few UHECRs, big detectors are needed There have been 40 events with energies greater than 4 x 1018 eV (Auger has detected more now…) 7 events greater than 1020 eV Record: 3x1020 eV by Fly’s Eye, Oct. 15th 1991