Lo spettro dei raggi cosmici Antonio Codino Dipartimento di Fisica dell'Università degli Studi di Perugia e INFN. Rendiconto alla Commissione 2 dell’ INFN.

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1 Lo spettro dei raggi cosmici Antonio Codino Dipartimento di Fisica dell'Università degli Studi di Perugia e INFN. Rendiconto alla Commissione 2 dell’ INFN. Roma, martedì 9 febbraio 2010

2 Articoli inviati alla Commissione 2 dell’ INFN da A. Codino nel settembre 2009 (86 pagine). Il ginocchio nudo del ferro, sua necessità ed evidenza empirica (20 pagine) Nota INFN-TC-09/05, Frascati 31 luglio 2009. Flussi misurati di protoni ed elio e l’ origine del ginocchio nello spettro della radiazione cosmica (34 pagine) Nota INFN-TC-09/06, Frascati 15 ottobre 2009. La composizione chimica della radiazione cosmica intorno alla caviglia e indici spettrali (27 pagine) Astro-ph/0911.4633v1, 24 novembre 2009. Non inviato, ma appartenente alla stessa linea un quarto articolo: Irrealtà del modello a fossa della radiazione cosmica extragalattica (5 pagine) Astro-ph/0911.4273v1, 22 novembre 2009. (Redundant failures of the dip model of the extragalactic cosmic radiation)

3 1994-2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Studio dei raggi cosmici con il metodo delle traiettorie Basse energie 100 GeV Ginocchio, secondo ginocchio, caviglia

4 Legame del ginocchio e della caviglia con la tortuosità delle traiettorie degli ioni cosmici Studi sui raggi cosmici dal 1994 al 2010 Studio della radiazione cosmica con il metodo delle traiettorie delle particelle nella Galassia. 1993-2004 M.T.Brunetti, A.Codino, H.Vocca 1994-2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Nozione di bacino galattico Natura del ginocchio e della caviglia. Componente extradisco dei raggi cosmici E’ spiegata la natura del ginocchio Nota INFN-TC-06/ Legame tra il ginocchio e la caviglia CRIS Catania 2006 Il ginocchio nudo del ferro, sua necessità ed evidenza empirica- Nota INFN-TC-09/05 La composizione chimica della radiazione cosmica intorno alla caviglia e indici spettrali. Astro-ph/0911.4633v1 Flussi misurati di protoni ed elio e l’origine del Ginocchio nello spettro della Radiazione cosmica. Nota INFN-TC-09/06 Irrealtà del modello a fossa della radiazione cosmica extragalattica. Astro-ph/0911.4273v1

5 Articoli sul ginocchio e la caviglia (Codino-Plouin) Questa teoria del ginocchio e della caviglia è descritta in 4 lavori : The origin of the ankle (10 pagine) Nuclear Physics B, 165 (2007) (Proc. Suppl.) 307-316 e Astro-ph/0701593, 20 gennaio 2007. A unique mechanism generating the knee and the ankle in the local galactic zone (25 pagine) Conferenza di Vulcano (2006) e Astro-ph/0701521, 18 gennaio 2007. Galactic basins of helium and iron around the knee energy (42 pagine) Internal report INFN/TC-06/05, 20 febbraio 2006 duplicato in Astro-ph/0701498 del 17 gennaio 2007. The transition from tortuous to rectilinear cosmic ray trajectories in the Galaxy is at the origin of the knee and the ankle (4 pagine) ICRC, Merida 2007 La lettura di: Bacini galattici di elio e ferro intorno al ginocchio richiede la nozione di bacino galattico introdotta in: The extension and shape of the collecting zones of the galactic cosmic rays from helium to iron The Astrophysical Journal (2006) 639, 173-184 Codino-Plouin, (12 pagine). Il metodo di calcolo si trova in: Brunetti-Codino, (10 pagine) The Astrophysical Journal (2000), 528, 789-798.

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7 Il nuovo postulato: gli indici spettrali di tutti gli ioni della radiazione cosmica sono indipendenti dall’ energia e valgono 2.65 circa. È il titolo del paragrafo 4 in : L’ origine della caviglia Nuclear Physics B, 165 (2007) (Proc. Suppl.) 307-316. CRIS2006, CATANIA L intervallo dove si applica questo postulato: 10 GeV – 5 x 10 19 eV (la caviglia del ferro).

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12 Abundancias de los iones a 1 TeV (mezcla de baja energía) I 0 =27,1 10 -2 partículas/(m 2 s TeV sr) Energía = 10 12 eV Iones Composición (%) Indices espectrales Intensidad (ions/m 2 s sr GeV) Referencias H42,42.77 ± 0.0211,5 ± 0.32Wiebel-Sooth He26,52.64 ± 0.02 7,2 ± 0.15 CNO11,92.68 ± 0.02 3,2 ± 0.06 Ne-S9,22.67 ± 0.03 2,5 ± 0.07 Ca (17-20)1,22.67 ± 0.03 0,3 ± 0.05 Fe(21-28) 8,72,59 ± 0.03 2,4 ± 0.02

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14 Abundancias de iones 10 14 eV (mezcla de alta energía AE) I 0 =23,30 10 -2 particles/(m 2 s TeV sr) Energía = 10 14 eV Iones Composición (%) Indices espectrales Intensidad (ions/m 2 s sr GeV) Referencias H36,82.67 ± 0.03 8,6 ± 0.32 Datos recientes de balónes He26,12.64 ± 0.03 6,1 ± 0.15 CNO13,82.66 ± 0.03 3,2 ± 0.06 Ne-S10,02.65 ± 0.04 2,3 ± 0.07 Ca (17-20)2,62.65 ± 0.04 0,6 ± 0.05 Fe (21-26) 10,72.59 ± 0.04 2,5 ± 0.02

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16 Schema di questa presentazione:  1 I lavori inviati alla commissione  2 La teoria degli indici spettrali costanti ovvero l’ insieme ordinato dei principi, conoscenze e metodi di calcolo che spiegano perché esiste il ginocchio, il secondo ginocchio e la caviglia nello spettro della radiazione cosmica.  3 Quanto è preciso e profondo l’ accordo tra teoria e dati sperimentali.  4 Cambiamenti radicali nella fisica dei raggi cosmici Teoria degli Indici Spettrali Costanti, dopo il 2006  5 Obiezioni radicali e critiche alla teoria degli indici spettrali costanti.  6 L’ immediato futuro 2010 e 2011.

17 Parte 3 Quanto è preciso e profondo l’ accordo tra teoria e dati. L ‘ accordo riguarda: 1Lo spettro in energia della radiazione cosmica tra 10 11 -5x10 19 eV. 2 Il ginocchio del protone (Kascade). 3Il ginocchio dell’ elio (Kascade). 4Il ginocchio del gruppo di elementi CNO (Kascade). 5 Lo spettro degli ioni pesanti tra 10 15 e 10 17 eV (Kascade e Eas-top). 6 L’indice spettrale di 3 dello spettro completo della radiazione cosmica tra 6x10 15 e 10 16 eV. 7 L’ esistenza del secondo ginocchio a 6x10 17 eV. 8 La posizione corretta della caviglia lungo l’ asse dell’ energia a (4-5)x10 18 eV.

18 9Il valore massimo dell’indice spettrale di 3,3 assunto dallo spettro completo nell’intervallo (6-8)x10 17 eV in corrispondenza al secondo ginocchio e suo significato 10La correlazione tra l’energia del secondo ginocchio (6-8)x10 17 eV e il valore dell’indice spettrale di 3,3 assunto dallo spettro completo L ‘ accordo con i dati sulla composizione chimica riguarda i dettagli fini degli spettri dei singoli ioni: 1.L’ incremento di della composizione chimica tra 10 15 -10 17 eV osservata da più di 10 esperimenti. 2.L’ esistenza di un valore massimo di di circa 3 intorno all’energia di 10 17 eV dove la composizione chimica si inverte da pesante a leggera. 3.L’ energia di circa 3x10 17 eV alla quale la tendenza della composizione chimica si inverte da pesante a leggera. 4.L’ alleggerimento della composizione chimica nell’intervallo 10 17 -3x10 18 eV osservato da tutti gli esperimenti. 5.L’esistenza di un minimo di intorno all’energia di 3x10 18 eV osservato dall’esperimento Auger. 6.L’ascensione di oltre il minimo di 1,2 nell’intervallo 3x10 18 -10 19 eV osservata dall’esperimento Auger.

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28 Definizione di composizione chimica  Gli esperimenti di alta energia oltre 10 17 eV usano dei metodi indiretti per misurare quali e quanti nuclei compongono la radiazione cosmica.  A è il peso atomico dello ione; si ha: = p 1 ln(A 1 ) + p 2 ln(A 2 ) +p 3 ln(A 3 ) +...... = p 1 ln(1) + p 2 ln(4) +p 3 ln(14) + …… = 0. + p 2 1,38+ +p 3 2,64 +……. dove p 1, p 2, p 3 etc. sono le proporzioni dei nuclei presenti ad una data energia.

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40 Risultato fondamentale della Teoria degli Indici Costanti La caviglia non si può separare dal ginocchio. Le posizioni delle caviglie sull’ asse dell’ energia sono indissolubilmente legate, senza ambiguità, alle energie a cui si trovano i ginocchi dei singoli ioni cosmici. Il campo magnetico galattico ha il ruolo dominante in questo legame. Le caviglie di ogni ione si posizionano a quelle energie in cui si instaura la propagazione quasi rettilínea degli ioni nella Galassia. I ginocchi si posizionano alle energie in cui il raggio di rivoluzione degli ioni diventa così grande da influenzare il traboccamento degli ioni dal volume del disco. Solo i raggi cosmici galattici, le cui sorgenti si ubicano nel disco e nell’ alone, generano le caviglie e i ginocchi.

41 Parte 4 Cambiamenti radicali nella fisica dei raggi cosmici: ◊La teoria degli indici costanti è incompatibile con gran parte delle nozioni fondamentali che formano la fisica dei raggi cosmici sino al 2006. ◊Secondo tale teoria quasi tutte le conoscenze oggi reperibili nei libri di testo e nei rendiconti su rivista dovrebbero essere riconsiderati. Vediamo alcuni esempi. 1Il ginocchio non è causato da meccanismi accelerativi e tanto meno da quello che si presume operi nelle supernove. 2Il secondo ginocchio (ginocchio del ferro) non è causato da una componente extragalattica della radiazione cosmica (come concepito nel modello a fossa). 3Il rapporto boro carbonio è pressoché costante con l’ energia oltre 100 GeV. 4Nessuna componente extragalattica di origine cosmologica penetra nella Via Lattea al di sotto di 5x10 19 eV.

42 Parte III Questa non è una visione estrema, radicale poiché l’ incalzare di alcune misure degli esperimenti Auger e Kascade suscita in altri la medesima impressione di cambiamento: …. O l’ analisi dati dell’ esperimento Kascade è completamente sbagliata oppure il modello standard dei raggi cosmici è totalmente errato….. Berezinsky, Karlsruhe, 30 marzo 2009 …..assimilando il modello standard dei raggi cosmici ad un mostro che si muove su due gambe : (1) il meccanismo di accelerazione diffusivo nei resti di supernova che permette di camminare al di sotto di 10 17 eV; (2) il modello a fossa che vaga al di sopra di 10 17 eV sino al capolinea empirico di 3x10 20 eV………...Lo spettro dei protoni misurato da Kascade nella banda di energia 5x10 16 -10 17 eV uccide il mostro……….. Opinione di A. Codino sul modello standard, 10 novembre 2009.

43 L’ articolo inviato alla Commissione 2 (34 pagine) : Flussi misurati di protoni ed elio e l’ origine del ginocchio nello spettro della radiazione cosmica Nota INFN/TC-09/06, Frascati 15 ottobre 2009. Semplicemente mostra attraverso i dati sperimentali della Collaborazione Kaskade che il ginocchio non è generato dal meccanismo diffusivo per onde d’ urto nei resti di supernove. Non è cosa da poco conto perché sono circa 40 anni che continua un dibattito infruttuoso sull’ origine del ginocchio: da fenomeni accelerativi oppure da effetti di propagazione ? Come si trae concisamente questa conclusione ?

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46 L’ articolo inviato alla Commissione 2 (20 pagine A. Codino) : Il ginocchio nudo del ferro, sua necessità ed evidenza empirica. Nota INFN/TC-09/05 Frascati, 31 luglio 2009. Semplicemente spiega cosa è il secondo ginocchio secondo la teoria degli indici costanti. Si tratta dello spettro del ferro galattico che scolpisce un segno sullo spettro completo (spettro di tutte le particelle). Il secondo ginocchio non è generato dal meccanismo immaginato nel modello a fossa della radiazione cosmica extragalattica Come si trae in breve questa conclusione ?

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53 Sulla piegatura dello spettro dei raggi cosmici oltre 6x10 19 eV il cosiddetto effetto GZK ( γ p —› π ◦ p etc.)  ….Posta la irrealtà del modello a fossa a più basse energie (tra 10 17 e 10 19 eV) si ragiona e si conclude che la predetta piegatura non è generata da sorgenti di raggi cosmici poste a distanze cosmologiche.  Il ragionamento non è basato sulla Teoria degli Indici Costanti ma sul confronto tra dati sperimentali e predizioni del modello a fossa.

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55 5 - Critiche radicali alla Teoria degli Indici Spettrali Costanti  Le direzioni di arrivo della radiazione cosmica osservabile nel sistema solare oltre 10 18 eV sembrano sostanzialmente isotrope. Ubicando le sorgenti dei raggi cosmici nella galassia ne deriva necessariamente un certo livello di anisotropia a causa della posizione del sistema solare nel disco. (vedi A. Codino, pagina 16, nota 1, Rapporto INFN-TC-09/05).  Il rapporto boro carbonio in funzione dell’ energia oltre 100 GeV/u nella Teoria degli Indici Costanti è sostanzialmente costante laddove i dati sperimentali indicano una tendenza decrescente (vedi A. Codino, F. Plouin ICRC, 2007, Merida).  La scelta dei parametri del campo magnetico galattico è arbitraria e probabilmente scelta ad hoc per spiegare il ginocchio e la caviglia (vedi M. T. Brunetti e A. Codino, ApJ (2000), 528, 789-798 e A. Codino, F. Plouin, ApJ (2006) 639, 173- 184 ).

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57 - Fine del seminario alla Commissione 2 dell’ INFN del 9 febbraio 2010  Fine del seminario alla Commissione 2 dell’ INFN del 9 febbraio 2010 a Roma.  Seguono disegni, grafici e tabelle di riserva.

58 - Fine del seminario alla Commissione 2 dell’ INFN del 9 febbraio 2010  Fine del seminario alla Commissione 2 dell’ INFN del 9 febbraio 2010 a Roma.  Seguono disegni, grafici e tabelle di riserva.

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63 Posiciónes de las fuentes en la Galaxia Asimmetría en la dirección de llegada de los rayos cósmicos Viento galáctico Método de calculo Gramaje The solución del problema de la rodilla y del tobillo

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65 Parametri del calcolo della intensità  Parametri che determinano le proprietà dei raggi cosmici galattici.  Traiettorie dei raggi cosmici e calcolo della intensità.

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68 Champ magnétique spirale

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70 Trayectorias de los rayos cósmicos en el disco Brunetti & Codino, ApJ, 2000, 528, 789

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75 How cosmic-ray trajectories are determined Corsa  The algorithms described in this presentation (12 years old, first publication on 1995) Mariposa  It is a new code for the simulation of cosmic-ray trajectories adopting:  Large simulation volume about 400 kpc (halfway from Andromeda galaxy)  Supernovae source distribution, etc. etc.  Chaotic magnetic field described by Kolmogorov, Kraichnan and other spectra of magnetic inhomogeneities  A quite recent code (2005) at the stage of development.

76 Altri parametri che determinano le traiettorie dei raggi cosmici nella Galassia  Il valor medio della densità della materia è di un atomo di idrogeno per cm 3 aumentato a 1,24 tenendo conto degli elementi pesanti.  Le sorgenti sono rappresentate da una distribuzione uniforme di equazione Q(r,z,l)=C  (r-R)N( ,z) dove N( ,z) è una distribuzione gaussiana nella direzione z con una deviazione standard  di 80 parsec.

77 Codino & Plouin ApJ, 2006, 639, 173

78 Parte IV  Cosa sono i ginocchi e le caviglie ?  Come si spiegano concisamente i ginocchi.

79 g gramaje (g/cm 2 ) columna de gas encontrada por los rayos cósmicos g = m H n H L D L D longitud de la trayectoria n H numero de átomos por centímetro cúbico m H masa del hidrógeno L D = v d s d V d numero de inverciónes del movimiento S d espesor físico del disco = A / (  g N A ) longitud de colisión nuclear SdSd

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84 Illuminando la Galassia con un fascio di ioni emesso dalla Terra e contando il numero di collisioni nucleari nel disco Collisioni nucleari

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86 fuentes galácticas fuentes galácticas Fuentes extragalácticas Cavidad solar Ie Ig E=10 13 eV E=10 16 eV E=10 17 eV E=10 18 eV

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89 Ginocchi e posizione del sistema solare La posizione del sistema solare all’ interno della Via Lattea influenza i tratti caratteristici dei ginocchi. Se, ad esempio, il sistema solare fosse posto artificialmente lontano dal piano mediano galattico, ad esempio a 50 parsec, si osserverebbe secondo i nostri calcoli un antiginocchio: anzichè una depressione di particelle un eccesso di particelle nella regione in cui il campo magnetico non le trattiene efficacemente come mostra questo grafico.

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91 Abbondanze degli ioni cosmici e indici spettrali In tutti i risultati precedenti le sorgenti galattiche degli ioni singoli hanno la stessa potenza (emettono lo stesso numero di ioni a tutte le energie). Ovviamente questa ipotesi non corrisponde alla realtà. Occorre tener conto delle abbondanze e degli indici spettrali di ciascun ione cosmico secondo le misure.

92 Postulato degli indici spettrali costanti dei raggi cosmici Gli indici spettrali misurati dagli esperimenti e anche le abbondanze degli ioni nell’intervallo di energia prima del ginocchio sono parametri importanti che contribuiscono alla valutazione degli spettri dei raggi cosmici. I valori degli indici spettrali utilizzati nel calcolo sono assunti costanti in tutto l’intervallo d’energia per ciascun ione cosmico (dopo alcuni GeV fino a 10 21 eV). Di conseguenza non ci sono arbitrarietà nel calcolo. Non ci sono distinzioni tra gli indici spettrali delle sorgenti e quelli misurati dagli esperimenti se non per quantità inferiori all’ uno per cento, come risulta dalla propagazione degli ioni nel disco.

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96 Sulla composizione chimica dei raggi cosmici Alan Watson tratto da CRIS2004 Meeting, Catania 31 maggio-4 giugno 2004 E’ evidente che la nostra conoscenza sulla composizione dei raggi cosmici è del tutto carente al di sopra di 10 17 eV. Ci sono differenze sistematiche tra le varie misure e in particolare non c’è un’evidenza stringente per sostenere, come si crede, che i raggi cosmici di altissima energia siano protoni.

97 Abondances relatives des ions cosmiques à basses énergies (energie au-dessous du genou) RICHE EN PROTONS (mélange 1, forte chute) – Energy = 2 x 10 15 eV Ion Composition (%) Spectral index H32,82.72 He29,72.72 CNO11,72.65 Ne-S10,02.65 Fe (17-26)15,02.60 Ca0.82.60

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99 Cheville et ions extragalactiques Les positions de la cheville et du genoux le long de l’ axe des énergies sont determinées et liées de façon unique par l’ intensité moyenne du champ magnétique galactique, qui détermine le grammage, et par la pente des sections efficaces inélastiques qui montent avec l’énergie, comme on le voit dans le graphique à côté. Ce résultat est fondamental parce que, pour la première fois, le genou et la cheville sont liés l’ un avec l’ autre.

100 Contour levels for helium, carbon, aluminium and iron illustrating the distribution of cosmic ray sources feeding the local galactic zone

101 Conclusions (1) The computed spectra of individual ions (Protons, Helium and Iron) are in good agreement with the experimental data (only the shapes of the spectra) of the Kaskade experiment. Regardless of the particular ion blend, the computed position along the energy axis of the knee of the all- particle spectrum also matches the results of the experiments. With the above inputs the all-particle energy spectrum between the knee and the ankle is calculated showing a spectral index of 3.05 for a proton abundant blend and 3.06 for an helium abundant blend i.e the spectral index is close to the observed value of 3 in the range 10 15 and 10 17 eV. This agreement is particularly meaningful since the energy spectra of individual ions have slopes of 3.38 (Helium) and 3.34 (Fe) in the same energy range. The computed indices of 3.05 and 3.06 between 10 15 -10 17 eV are the result of the sum of all the ion spectra as indicated in the figure.

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104 Paragone con altre teorie/modelli (1) Tutti gli altri modelli adottano differenti meccanismi per spiegare il ginocchio e la caviglia a differenza di questa teoria che invece propone una spiegazione unica. La caviglia viene introdotta ad hoc come componente extragalattica che apparirebbe ad una certa energia e con una certa intensità, completamente arbitrarie. Un certo numero di autori affermano che la caviglia dello spettro completo (tutte le particelle) è generata dall’interazione dei raggi cosmici extragalattici con energie superiori a 4x10 17 eV provenienti da sorgenti poste a decine di Megaparsec con la radiazione fossile. Queste interazioni perturberebbero lo spettro dei raggi cosmici osservato sulla Terra generando una struttura come la caviglia (modello a fossa).

105 Paragone con altre teorie/modelli (2) Vedi ad esempio: –T. Wibig and A.R. Wolfendale, Jour. Phys., G31 255, 2005. –Modello a fossa: Berezisky V.S., Gazizov A.Z. e Grigorieva Rapporto Astroph/0204357 e Phys. Rev. D 74, 043005 (2006). –Modello della caviglia A. M. Hillas rapporto Astro-ph/0607109 J. Phys. Nucl. Part. Phys. 31 R95 (2005). Waxman E. Phys. Rev. Lett. 75, 386 (1995). - Allard D., Parizot E. et al., Astron. e Astrophys. 443, l29-l32 (2005).

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