La Fisica Astroparticellare. Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

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1 La Fisica Astroparticellare Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 1

2 Alcune domande fondamentali Perché la materia ha vinto, tanto tempo, fa la sua battaglia sull anti-materia? Che cos è la materia oscura che costituisce oltre il 90% della materia cosmica? Come funziona e come muore una stella? E vero che i neutrini si trasformano nel loro viaggio nello spazio? Quali sono le sorgenti dei raggi cosmici? Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 2

3 L acceleratore Cosmico Il fascio dell acceleratore cosmico funziona 7/7, 24/24, da miliardi di anni 32 ordini di grandezza in flusso 13 ordini di grandezza in energia 3

4 DOVE? Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 4

5 I Laboratori Nazionali dell INFN al Gran Sasso Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 5

6 Il neutrino : elemento nodale Fisica delle particelle n Astrofisica Cosmologia Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 6

7 Come muore una stella Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 7

8 Sanduleak Supernova 1987A 23 Febbraio 1987 Tarantula Nebula Large Magellanic Cloud Distance 50 kpc ( light years) 21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica - 8 Curriculum Nucleare e Subnucleare

9 Energia e tempo dei neutrini rivelati da 3 esperimenti in occasione della SN1987A Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 9

10 Rivelazione di Neutrini da Supernova con LNGS n e n e n m n m n t n t 99% dell energia disponibile (E B ~ erg) è emessa sotto forma di neutrini LVD a Bologna: Prof. Gabriella Sartorelli (sartorelli@bo.infn.it) Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 10

11 Quark s u d c s t b tre famiglie Leptoni n e e n m m n t t tre neutrini - Può il neutrino di una famiglia viaggiando nello spazio trasformarsi in quello di un altra famiglia? n m n t 11

12 Possono cambiare identità: oscillazioni di neutrino Un effetto di Meccanica Quantistica che si verifica se La propagazione m n > 0 La sorgente produce n m miscuglio di n 1, n 2 e n 3 Il mescolamento dei neutrini di n 1, n 2 e n 3 dipende dalla loro massa Se m n > 0 il miscuglio cambia L esperimen to talvolta vede ad esempio n t miscuglio diverso da n m M.C. Escher, Metamorphose III ( ), parte di una xilografia di

13 CERN 7 30 GPS km LNGS Tflight = 2.44 msec Super Module 1 Super Module 2 ν Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 13

14 OPERA ai Laboratori del Gran Sasso 1 mm - Pb Emulsion layers Contatti per OPERA a Bologna dr. Laura Patrizii (patrizii@bo.infn.it) dr. M. Sioli (sioli@bo.infn.it) Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 4

15 SPECTROMETER(S) Prospects for a New Neutrino CERN-PS Experiment: Neutrino Experiment with SpectrometerS in Europe Luca Stanco - CdS Padova 15

16 FAR site * Liquid Argon is the best option as for - backgrounds - energy range - full measure of n interaction Spectrometer The Target coverage must be as large as possible Luca Stanco - CdS Padova 16

17 - E il neutrino l antiparticella di se stesso? Decadimento beta n ¹ n (Dirac) o n = n (Majorana) Decadimento doppio β Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 17

18 740 kg di TeO kg di 130 Te CUORE Bologna Contatti dr. S. Zucchelli zucchelli@bo.infn.it Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 18

19 Il Lato Oscuro dell Universo Elementi pesanti 0,03% Non Neutrini 0,3% Stelle 0,5% conosciamo di cosa è fatto il 95% dell Universo! H ed He liberi 4% Energia Oscura 70% Materia Oscura 25% La soluzione di questo mistero può modificare profondamente la nostra visione dell Universo e avere un forte impatto sul Modello Standard del mondo subatomico 19

20 Evidenza della materia oscura Velocita di rotazione delle galassie a spirale Ipotesi corrente: esistono particelle non ancora scoperte che interagiscono debolmente con la materia ordinaria. Forse è possibile rivelarle attraverso il loro urto con gli atomi della materia ordinaria, ma ci vuole un rivelatore molto sensibile e riparato dal rumore di fondo della radioattività naturale Ricerca della materia oscura

21 l esperimento XENON al Gran Sasso tecnica doppia fase con Xenon liquido XENON a Bologna Prof. G. Sartorelli (sartorelli@bo.infn.it) Il rivelatore XENON100 è in presa dati al Gran Sasso Xenon1T in progetto, in costruzione dall autunno

22 The future: XENON1T 21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare

23 L Astronomia con Neutrini n E un campo di ricerca molto recente e molto promettente.. ( ricerca di sorgenti dei Raggi Cosmici) Fotoni: interagiscono con la materia e la radiazione Protoni: (HE) interagiscono con la Radiazione cosmica di fondo (CMB) e sono deflessi da campi magnetici (se di bassa energia) Neutroni: non sono stabili Inconveniente dei telescopi a neutrini: sono necessari enormi rivelatori (~Gton) n p 21/4/

24 12 lines 25 storeys / line 3 PMTs / storey 900 PMTs Tipico telescopio marino: ANTARES (Costa Azzurra) 14.5 m 350 m F. Montanet ~70 m 100 m Anchor/line socket 2500m depth 40 km to shore Junction Box Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum 21/4/2010 Nucleare e Subnucleare Submarine links 24

25 Tipico telescopio marino: ANTARES ( nel mare della Costa Azzurra) Il neutrino è rivelato attraverso la luce emessa al passaggio del muone prodotto nell interazione del neutrino FUTURO : scala km 3 Es. NEMO nel mar di Sicilia Contatti ANTARES/NEMO a Bologna: dr. Annarita Margiotta margiotta@bo.infn.it un muone da 1.2 TeV che attraversa il rivelatore prof. Maurizio Spurio spurio@bo.infn.it 25

26 AMS02 Un esperimento sulla Stazione Spaziale Internazionale, Dov'è finita l'antimateria primordiale? Quali sono i componenti della massa invisibile dell'universo? ed altro Maggio 2011 AMS Contatti AMS Bologna Prof. Andrea Contin contin@bo.infn.it Prof. Federico Palmonari palmonari@bo.infn.it 26

27 Alcuni link utili Fisica Astroparticellare su Siti Ufficiali degli esperimenti menzionati E un sito divulgativo di riferimento ScienzaGiovane 21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 27

28 Ipotesi corrente: esistono particelle massive che interagiscono debolmente con la materia ordinaria Rivelatori che vedano una interazione elastica di queste particelle con gli atomi che li costituiscono I materiali sensibili ad es. sono gas nobili a bassissima temperatura Esperimento XENON al Gran Sasso Liquidi nobili, Xe, Ar, e Ne appaiono promettenti per la rivelazione delle WIMP Shielding volume g g W Fiducial volume g W PMTs 28

29 Le proprietà del neutrino carica elettrica interazione con la materia massa mescolamento n ¹ n (Dirac) o n = n (Majorana) recenti scoperte ma ancora molto lavoro da fare 0 debole piccolissima ma > 0 :? abbastanza ben conosciuto: manca prova definitiva????

30 Le sorgenti Crosta Terrestre (Radioattività naturale) Big Bang (oggi 330 n/cm 3 ) Reattori Nucleari Sole Acceleratori di particelle Supernovae (Collasso Gravitazionale) Atmosfera Terrestre (Raggi Cosmici) 21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare Acceleratori Cosmici 30

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