Origine e Vita dei Raggi Cosmici Piergiorgio Picozza Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare A.A. 2011 - 2012.

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1 Origine e Vita dei Raggi Cosmici Piergiorgio Picozza Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare A.A. 2011 - 2012

2 p e - e + antip Nuclei antiN? other? other? Dal Cielo arrivano Electromagnetic radiation Particles - charged - neutral radio IR Visible X stable elementary particles cosmic rays Gravitational waves ??

3 Radiazione Elettromagnetica Gamma, X, UV, Light, IR, Radio Non viene influenzata dai Campi Elettrici e Magnetici Dà informazioni sulla localizzazione delle sorgenti emittenti Non dà informazioni su una eventuale esistenza di antimateria nel Cosmo

4 Il Cielo degli occhi

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6 Ammassi di Galassie

7 Il Cielo dei Gamma

8 Raggi Cosmici Particelle cariche : protoni, antiprotoni, elettroni, positroni, nuclei, antinuclei (?), Altro (?) Risentono dei campi elettrici e magnetici Portano da distanze differenti un campione di materiale galattico ed extragalattico ed accelerato ad energie molto elevate.

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10 I raggi cosmici. I raggi cosmici sono una delle componenti principali della galassia. Infatti, la densità di energia dei raggi cosmici nella nostra galassia è di circa 1 eV/cm 3, dello stesso ordine di grandezza della densità di energia del campo magnetico della galassia e dellagitazione termica del gas interstellare. Come sono stati scoperti?

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13 Tour Eiffel (Wulf, 1910) : 6 x 10 6 ions/m 3 measured at ground 3 x 10 6 ions/m 3 expected at 80 m ~ zero expected at 330 m 3,5 x 10 6 ions/m 3 measured at 330 m Variation of the ionizzation with the altitude (Kolhörster, 1914): ionization difference in comparison to the ground (x 10 6 ions/m 3 ) altitude (km)0 -1,51 +1,22 +4,23 +8,84 +16,95 +28,76 +44,27 +61,38 +80,49 N(h)=N 0 e - h, ~10 -3 m -1 (for from radioC:, ~4,5x10 -3 m -1 )

14 I Raggi cosmici Il top dellatmosfera terrestre viene investito da un flusso di particelle cariche e neutre di alta energia di origine extraterrestre Circa due particelle cariche per secondo (essenzialmente muoni) passano attraverso ogni centimetro della superficie terrestre.

15 0 m ~40 km ~500 km ~5 km Top of atmosphere Ground Primary cosmic ray Smaller detectors but long duration. PAMELA! Large detectors but short duration. Atmospheric overburden ~5 g/cm 2. Almost all data on cosmic antiparticles from here.

16 PARTICLE PHYSICS BIRTH WAS DUE TO COSMIC RAYS Hesse, Wulf, Wilson, Anderson, Bothe, Kohlorster, Millikan, Blackett, Skobeltsyn, Rochester, Butler, Rossi, Pancini, Conversi, Powell, Occhialini …… Advent of accelerators

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24 Abbondanze nei raggi cosmici Gli elementi Li, Be, B sono circa 10 5 volte più abbondanti nei raggi cosmici che nel sistema solare. Il rapporto 3 He/ 4 He è circa 300 volte più grande nei raggi cosmici. I nuclei molto pesanti sono più prevalenti nei raggi cosmici. I raggi cosmici attraversano alcuni (4-7) g/cm 2 di materiale interstellare tra la sorgente ed il top dellatmosfera terrestre subendo reazioni nucleari che rompono i nuclei più pesanti.

25 Ciclo di Vita dei Raggi Cosmici Galattici Produzione Accelerazione Propagazione nel Mezzo Interstellare Interazione nel Mezzo Interstellare Fuga dalla Galassia

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27 Confinamento dei raggi cosmici nelle galassie Disco Galattico Intensità media del campo magnetico galattico: 3 G Tempo di confinamento: ~ 10 milioni di anni Galassia 1 parsec : 3.085 10 16 m 1 anno luce: 0.3 parsec

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29 1pc=3.1 x 10 13 km 1anno-luce=9.5 10 12 km Knee region 10 15 10 16 eV Il campo magnetico galattico è circa 3mG ed mediamente parallelo parallelo al braccio della spirale della galassia, con grandi fluttuazioni

30 30 kpc 300 pc Protone da 5. 10 19 eV in un campo di 3 G

31 Accelerazione dei Raggi Cosmici Le esplosioni delle Supernove sono la sorgente dellenergia responsabile dellaccelerazione dei raggi cosmici di alta energia Accelerazione alla nascita mediante lo shock iniziale Accelerazione quando le onde di shock da supernovae incontrano il materiale interstellare

32 Red Giant

33 Esplosione di supernova

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35 Supernovae Remnants When a high mass star (final mass greater than 1.4 solar masses) collapses at the end of its life a supernova occurs. An enormous shock wave sweeps through the star at high speed, blasting away the various layers into space, leaving a neutron core and an expanding shell of matter known as a supernova remnant. This ejection of matter is much more violent than occurs in the planetary nebulae that mark the end of a low mass star, giving expansion speeds of 1.0E3 -1.0E4 km/s. Near the core of the remnant, electrons emit radiation (synchrotron radiation) as they spiral at relativistic speeds in the magnetic field from the neutron star. The ultraviolet portion of this radiation can ionize the outer filaments of the nebula. In addition the ejected matter sweeps up surrounding gas and dust as it expands producing a shock wave that excites and ionizes the gas. This plasma may reach temperatures of 1.0E4 to 1.0E6 K, but with densities of only about 1.0E7 particles per meter^3.

36 The big question: Do SNe produce cosmic-rays ??? V. Ginzburg, Syrovatskii, late 50s, 1964 F. Hoyle (1960) ….

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38 The SNR hypothesis w CR ~ 1 eV cm -3 dE CR /dt ~ V w CR / t esc ~ 3 x 10 40 erg s -1 P SNR,kinetic = 10 51 erg / 30 years= 10 42 erg s -1 dE CR /dt ~ 0.03 P SNR,kinetic

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40 Accelerazione Teoria di Fermi al primo ordine

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42 42 A NEUTRON STAR WITH A STRONG MAGNETIC FIELD: FAST ROTATING PULSAR (P = 33 msec) L(spindown) = 5 10 38 erg/s

43 Accelerazione dei raggi cosmici Pulsars and pulsar nebulae. Pulsars - rapidly rotating neutron stars left over, e.g., after a supernova explosion - exhibit large electric and magnetic fields and act like dynamos accelerating particles. The pulsar-generated outflow - the pulsar wind - interacts with the ambient medium, generating a shock region where particles are accelerated. Such objects will therefore exhibit a pulsed component of radiation - from the immediate vicinity of the pulsar - and an unpulsed component from the shock region and beyond. The Crab Nebula is one of the few known TeV emitters of this type, and the best-studied object.

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45 High Z [ENTICE, ECCO] Isotopic composition [ACE ] Solar Modulation Antimatter Dark Matter [BESS, PAMELA, AMS] Elemental Composition [CREAM, ATIC, TRACER, NUCLEON, CALET, ACCESS?, INCA?, Extreme Energy CR [AUGER, EUSO, TUS/KLYPVE, OWL??]

46 Alcune distanze fondamentali Raggio solare: 696.000 km Distanza Sole-Terra: 150.000.000 km (215 Raggi Solari) = 1 UA Grandezza del sistema solare:150-200 UA Raggio terrestre: 6380 km Distanza terra luna: 384000 km (60 r.t.) Orbite tipiche LEO: 300-600 km Satelliti geostazionari: 36000 km