COMPOSIZIONE dei RAGGI COSMICI

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1 COMPOSIZIONE dei RAGGI COSMICI

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3 Composizione dei Raggi Cosmici Struttura della Composizione e' simile alla composizione media del sistema solare con alcune IMPORTANTI ANOMALIE: Elementi leggeri (Li, Be, B) [Z=3,4,5] molto piu' abbondanti che nella media del sistema solare. Anche elementi sub-iron (sotto il ferro) come Titanio, Vanadio molto piu' abbondanti. Effetto Pari/Dispari meno marcato

4 Abbondanze dei differenti Nuclei nella Materia Ordinaria del Sistema Solare: Nucleosintesi primaria NucleoSintesi nelle Stelle Z H He Li Be B C N O Elementi originali nati dalla nucleosintesi primaria Elementi saltati dal processo principale della nucleosintesi [3 Carbonio + Elementi generati dalla nucleosintesi [3 C + C O

5 Nucleosintesi dal Big Bang (BBN) Poco minuti dopo il Big Bang si formano p, n (ed e-). I n isolati decadono n-> pe- ( n~885 s) In dipendenza dalla T e np,n e alcuni parametri di fisica delle particelle (come N ) parte dei neutroni si unisce a p: p+n 2D + MeV) (fragile, brucia facilmente) D+n 3T + (Radioattivo ~12 y) D+p 3He + 3 T + p 4He + 3 He + n 4He + A=5 non ha nuclidi nemmeno radioattivi) 3 T +4He 7Li He +4He 7Be+ EC: Be + e Li + A=8 non ha nuclidi (nemmeno radioattivi): BBN si ferma: Be e B praticamente assenti (molti OdG meno di 7Li )

6 Nucleosintesi nelle stelle Nelle stelle sono creati gli elementi più pesanti fino al Fe-Ni A seguire la reazione pp che trasforma 4p He (2e+2 ) ad alta T si innesca la catena : ->84Be + -> 126C successivamente a T più elevata C + -> O Cr + -> Fe O + -> Ne Fe + -> Ni Ne + -> Mg Ulteriori sottraggono Mg + -> 14Si energia Si + -> Ar Ar + -> Ca 20 Ca + -> Ti 22 Ti + -> Cr Poi Ni decade in Co e poi in Fe

7 Energia di legame per nucleone vs A

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10 Effetto dei Processi di SPALLAZIONE ( SPALLATION ) Frammentazione di un nucleo relativistico in un urto con protone (od un altro Nucleo) A + p A1 + A2 Etot (A) = A E0 Etot (A1) = A1 E0 Etot (A2) = A2 E0 In spallation processes the energy per nucleon is roughly conserved

11 Path length of cosmic rays The existence (and the relative importance) of the secondary nucleons is an indication that the cosmic rays have crossed a certain amount of column density of order of 1 interaction length H 52 g cm-2 He g cm-2 X g cm-2

12 Propagation of Cosmic Rays in the Galaxy For a theoretically well motivated study of the propagation one should consider the DIFFUSION of Cosmic Rays in the Galactic Magnetic Field.

13 Propagation in a Random Field Described as Diffusion 1-Dimension 3-Dimension

14 Diffusion Coefficient D

15 Partial Differential Equation describing Diffusion

16 N(E,x,t) = Density of Cosmic Rays of energy E at position x and time t [Neglecting Energy Losses] Source Diffusion Interactions Volume containing Magnetic Field Particles exiting the Volume are lost

17 LEAKY BOX MODEL Homogeneous Model Drop the x dependence Neglect interactions Source Escape

18 Hypothesis of stationarity: Hypothesis is good if escape << TGalaxy

19 Hypothesis of STATIONARITY Note: The observed spectrum has a different form from the injected spectrum

20 Escape or Interaction?

21 Propagation of a Secondary Nucleus that is a particle so rare (like Li, Be, B) that the direct acceleration is negligible, that is the source term is zero. For simplicity we can assume a generic secondary nucleus S that is produced only by a single primary nucleus P by spallation

22 intp(e) Direct Source If the source QS term is zero Escape Spallation of primary Source

23 Ratio Primary/Secondary measures the product ism Xesc = lesc ism (g/cm2) ism c Mean Free Path of CR in the Galaxy

24 Boron/Carbon Ratio Escape Length (g cm 2) X X

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26 Lithium from AMS

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29 Source Spectrum of Galactic Cosmic Rays The spectrum of Cosmic Ray at the accelerator has the form With = E

30 Determination of the Escape Time Use of COSMIC CLOCKS Isotope Be-10 Half-time : 1.6 * 106 years Comparison with Be-9 (stable isotope) -1 esc/ intp da e.g. B/C; si deduce esc/ dec e quindi esc; infine si deduce <nh>

31 Beryllium-10 Measurements

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33 Results on escape time The escape time are consistent with being ~1.5x10 7 y and <nh> ~ n/cm3 Galactic density of ISM medium: <nh> ~ 1.0 n/cm3. I raggi cosmici si muovono in un volume più vasto del piano galattico

34 NEED for an EXTENDED COSMIC RAY HALO

35 Emission of Synchrotron emission from our Galaxy