Cosa sono i raggi cosmici (CR)?

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1 I raggi cosmici sono particelle subatomiche cariche molto energetiche che bombardano continuamente la Terra. Lo spettro energetico inizia da circa 10 9 ev e sembra non avere un limite superiore. Cosa sono i raggi cosmici (CR)? L atmosfera terrestre assorbe la maggior parte dei raggi cosmici. Piero Galeotti 1

2 I nuclei sono formati di protoni e neutroni

3 Protoni e neutroni sono costituiti di quark

4 Particelle fondamentali Carica massa crescente +2/3-1/3 u d c s t b quarks (q) 0-1 n e n m n t e m t leptons Piero Galeotti, Università di Torino 4

5 Si ritiene che i componenti elementari della materia siano quark e leptoni, e che le particelle elementari siano: adroni (3 quark), mesoni (2 quark) e leptoni. Piero Galeotti, Università di Torino 5

6 Le interazioni fondamentali gravità elettromagnetismo debole forte Piero Galeotti 6

7 padre Theodor Wulf (1910) Domenico Pacini (1905)

8 i raggi cosmici 1912 Il fisico austriaco Victor Hess compie dei voli in pallone a quota 5000 metri con degli elettroscopi per scoprire l origine delle misteriose particelle che sembravano pervadere l atmosfera e che si ipotizzava provenissero dalla Terra. Scopre invece che più si sale di quota e più queste particelle aumentano e ne deduce che le particelle devono arrivare dallo Spazio, oltre il Sole. nasce la fisica delle particelle elementari Piero Galeotti, Università di Torino 8

9 Astroparticle Physics 9

10 1927 Dimitry Skobelzyn fotografa le prime tracce da particelle di raggi cosmici 1932 Carl Anderson scopre il positrone 1933 Patrick Blackett e Giuseppe Occhialini fotografano la coppia positroneelettrone 1937 Seth Neddermeyer e Carl Anderson scoprono il muone Fotografia stereoscopica di uno sciame (P. Blackett & G. Occhialini, 1933) P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 10

11 nuove finestre,...nuove scoperte Telescope User date Intended Use Actual use Optical Galileo 1608 Navigation Moons of Jupiter Optical Hubble 1929 Nebulae Expanding Universe Radio Jansky 1932 Noise Radio galaxies Micro-wave Penzias, Wilson 1965 Radio-galaxies, noise X-ray Giacconi 1965 Sun, moon Radio Hewish, Bell -rays military 1960? 3K cosmic background neutron stars accreting binaries 1967 Ionosphere Pulsars Thermonuclear explosions Gamma ray bursts

12 Raggi cosmici: un legame tra astrofisica, cosmologia e fisica delle particelle elementari

13 h mv Solo i muoni e i neutrini riescono a penetrare sotto grandi spessori di roccia.

14 fisici... P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 14

15 ...alpinisti... P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 15

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17 ...o minatori P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 17

18 Inizio del progetto Gran Sasso P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 18

19 LNGS P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 19

20 sciami estesi (EAS, Extensive Air Shower) Quando attraversa l atmosfera terrestre a) il raggio cosmico (particella primaria) collide con i nuclei dell aria provocando una b b) cascata di particelle secondarie di energia più bassa, che a loro volta a c) subiscono ulteriori collisioni producendo così uno sciame di miliardi e più di particelle che raggiungono il suolo terrestre in un area la cui estensione può essere anche di diversi chilometri quadrati. Oltre cento particelle secondarie di sciame attraversano il nostro corpo ogni secondo! e l esposizione aumenta con l altitudine (i raggi cosmici sono di grande importanza in biologia; contribuendo, a lungo andare, alle mutazioni genetiche, hanno giocato e continuano a giocare un ruolo rilevante nell evoluzione della vita sulla Terra) c Gli sciami EAS contengono di tutto: nucleoni, nuclei, gamma duri, mesoni (p ±,p 0,K ±, ), leptoni carichi (e ±, m ±, t ± ), neutrini (n e, n m, n t ).

21 ~10 2 /m 2 /secondo ~E -2.7 misure indirette (da EAS) Ginocchio misure dirette palloni, satelliti ~E -3.1 ~1/m 2 /anno ~1/km 2 /anno Caviglia ~E -2.7 ~1/km 2 /secolo P.Galeotti Raggi cosmici 21

22 Raggio Cosmico primario Xmax massimo sviluppo dello sciame Osservabili Ne ~E 0 Fotoni di Fluorescenza UV Emissione isotropa Sciami adronici e elettromagnetici e +,e -,m +,m -, Radiazione Cerenkov Nm X MAX direzione P.Galeotti Raggi cosmici 22

23 Volcano Ranch, New Mexico 1959 John Linsley e Livio Scarsi rilevano un RC di energia molto elevata: lo sciame secondario contiene 30 miliardi di particelle 1962 viene rilevato il primo RC di energia E 0 = ev. Lo sciame secondario contiene 50 miliardi di particelle (10 20 ev è l energia sufficiente a sollevare una massa di 1.5 kg ad un altezza di un metro) P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 23

24 Piero Galeotti, Università di Torino 24

25 P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 25

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27 Third EGRET catalog 271 sorgenti

28 P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 28

29 P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 29

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31 Fermi GLAST Gamma ray Large Area Space Telescope LAT Launch in Feb 2007 Large Area Telescope (LAT) 16 Tracker Modules (silicon-strip detector) Calorimeter Anti coicidence detector 20 MeV < E < 300 GeV field of view 2.5 sr Burst Monitor 10 KeV < E < 25 MeV field of view: 8 sr

32 Pamela e AMS AMS is studying extraterrestrial p +, e -, ; antimatter nuclei (anti-he, C, 10-9 ); light isotopes;

33 12 lines of 25 storeys 900 PMs The ANTARES Detector P.Galeotti Raggi cosmici 33

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35 AGASA Akeno Giant Air Shower Array 111 Electron Det. 27 Muon Det. P.Galeotti Raggi cosmici km

36 Fly s eye (US, 81-92) 67 miroirs de 1,6 m de diamètre Point focal équipé de PM 880 PM couvrant le ciel 1 rayon cosmique d énergie de ev P.Galeotti Raggi cosmici 36

37 la radiazione cosmica di fondo a 3 0 K rende l Universo opaco ai raggi cosmici di energia molto elevata K. Greisen - G.T.Zatsepin & V.A.Kuz min (1966) GZK Cutoff p+ p+p 0 p+ n+p + E thr = ev l=1/sr=6mpc r~410 /cm 3 p s=135mbarn Raggi cosmici con energia E> ev devono avere la loro sorgente entro 50Mpc P.Galeotti Raggi cosmici 37

38 P.Galeotti Raggi cosmici 38

39 L osservatorio Auger, Area 3000 km 2 SD 1600 contatori spaziati ogni 1.5 km FD 24 telescopi in 4 siti P.Galeotti, Univ. Torino I lunedi dell'università 5/3/

40 P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 40

41 Cosmic Ray Propagation in our Galaxy Deflection angle < 1 degree at ev

42 Extragalactic sources Flusso atteso di neutrini di grande energia Atmospheric neutrinos Cosmologic neutrinos P.Galeotti Raggi cosmici 42

43 Ice Cube P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 43

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45 P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 45