High Energy Astrophysics
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- Lucia Di Giovanni
- 7 anni fa
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1 High Energy Astrophysics Studio della Emissione di Alta Energia di diversa natura (Fotoni, Neutrini, Raggi Cosmici) da Sorgenti Astrofisiche. Paolo Lipari 1-dec-2005 INFN Roadmap Meeting
2 Astrophysical Source of High Energy Radiation Astrophysical Object containing: p Populations of relativistic protons, Nuclei electrons/positrons Emission of: e ± γ rays Neutrinos Cosmic Rays
3 Hadronic Emission Leptonic Emission
4 Osservazioni con 4 MESSAGGERI GAMMA RAY's NEUTRINO's COSMIC RAY's GRAVITATIONAL WAVES
5 SCIENZA di questa LINEA di RICERCA ASTROFISICA DARK MATTER SEARCH COSMOLOGICAL STUDIES TESTS OF FUNDAMENTAL LAWS
6 Solamente ASTROFISICA (?) Ambiente vicino all'orizzonte di BUCHI NERI (di Massa Stellare a SuperMassivi) Struttura delle Stelle di Neutroni e dei Campi Elettromagnetici all'interno ed intorno a questi oggetti Campio di Ricerca in RAPIDO SVILUPPO e MATURAZIONE Studio di EXTREME ENVIRONMENTS di FORTE e FONDAMENTALE INTERESSE
7 CLASSI di SORGENTI OSSERVATE SUPERNOVA REMNANTS PULSAR WIND NEBULAE Fotoni E 10 TeV Galactic MICROQUASARS GALACTIC CENTER ACTIVE GALACTIC NUCLEI GAMMA RAY BURSTS (low energy) Extra Galactic
8 SuperNova Remnants: RX Discovered in 1996 in X-rays by the Roentgen Satellite (Rosat) Visible (Chinese Astronomers) february 27 march 28 AD 393 HESS telescope Contours : X-rays Colors TeV photons
9 Gas density Proton Population inside the SN remnant
10 SOURCE of GALACTIC COSMIC RAYS 49
11 PULSAR WIND NEBULAE Crab X-rays (Chandra) Electromagnetic Fields Near the Surface of the Neutron Star are strong enough to pull charged particles out of the neutron star (or generate pairs of e+e-) Creating a Pulsar Wind The pulsar wind creates shocks near the neutron star that accelerates electrons and positrons to relativistic energies
12 CRAB NEBULA (Self Synchrotron Compton) Synchrotron Emission Inverse Compton
13 VELA PULSAR HARD Spectrum Extending to 50 TeV No Pulsar emission observed
14 PSR J ( the Mouse ) Pulsar in a Binary System
15 PSR B : Time Variability PSR B
16
17
18 Micro-Quasar LS 5039
19 MICROQUASARS GRS Galactic binary system with one stellar mass black hole Symmetric emission of Plasma "blobs" Detection in Radio (VLBI)
20 LS 5039
21 LS 5039
22 Geometry of the emission of the two jets
23 JET Radio emission
24 JETs in ASTROPHYSICS
25 ACTIVE GALACTIC NUCLEI Optical 3C219 Radio
26
27 GAMMA RAY BURSTS (GRB' s)
28 Stellar Gravitational Collapse Merging of compact Objects
29 Just Astrophysics e' SCIENZA FONDAMENTALE di prima classe di GRANDE e NATURALE INTERESSE per l'infn
30 INDIRECT DETECTION of DARK MATTER
31 Galactic Dark Halos
32 DIRECT SEARCH for DM Time Modulation
33 INDIRECT DM Search METHODS: Gamma Rays Antiparticles Neutrinos
34 SENSITIVITY of the INDIRECT METHODS of DARK MATTER SEARCH are COMPARABLE (and COMPLEMENTARY) TO THE DIRECT METHODS Example : ILIAS/HEAPNET/FP7/APPEC-PRC Meeting (Munich 23/25 nov 2005) Dark matter theory talk of Munoz : (GLAST cover all SUGRA parameter space)
35 Indirect Search for WIMP' s Accretion in the Sun and the Earth Neutrino Emission from the center of the Sun and the Earth Sun, Earth Elastic Scattering Wimp
36 Photon Signatures of Dark Matter Annihilation: Spectral and Angular: Look at the GALACTIC CENTER
37 GALACTIC CENTER (infrared light) Black Hole 3 Million Solar Masses
38 Estimate of the Mass and Size of the Central Object (nearly certainly a Black Hole)
39 GALACTIC CENTER Point-like core Exten ded t ail Sim ilar to N FW p rofile Contours : Radio Colors : HESS E > 1 TeV Angular distribution
40 Galactic Center Observed from 100 GeV to 10 TeV Power law index 2.3 (Astrophysical Flux) No significant Variability in 40 hourse of observations distributed in 2 years
41 Scienza: COSMOLOGY APPLICATIONS: GRB sono potenzialmente la candela piu' luminosa per estendere le misure delle SN Ia e studiare la storia della espansione cosmica (e la formazione di struttura) [1 GRB osservato a redshift z > 6 (!) ] Osservazioni AGN (assorbimento dei fotoni) hanno il potenziale di determinare la distanza
42 Scienza: Tests of Fundamental Laws Esempi: G.Amelino Camelia, J.Ellis, N.E.Navromatos, D.V.Nanopulos, S.Sarkar, Nature Tests of Quantum Gravity from Observations of Gamma Ray Bursts : [342 citations] New TeV scale Physics can be probed with observations of Ultra High Energy Particles. L.Anchordoqui, J.Feng, H.Goldberg, A.Shapere: Black Holes from Cosmic Rays: Probes of Extra dimensions and new probes on TeV-scale Gravity' [142 citations]
43 Quantum Gravity Effects: Dispersion Relation for Photons in quantum foam High Energy Photons delayed
44 PROGRAMMA di STUDI SPERIMENTALI approvato dalla COMMISSIONE 2
45 Esperimenti Astrofisica Astronomia Gamma Astronomia Neutrino Raggi Cosmici AGILE GLAST ANTARES NEMO-RD PAMELA AMS CREAM ARGO-YBJ MAGIC (KM3 ) Mediterraneo AUGER EUSO (RD)
46
47
48 I programmi sperimentali finanziati dalla Commissione 2 : Hanno appena iniziato a prendere dati MAGIC AUGER CREAM Cominceranno tra breve a prendere dati AGILE GLAST PAMELA AMS (ISS possible problem) Sono in fase di Design Study KM3 Problema scottante Risultati importanti attesi/sperati Necessaria attenta valutazione delle implicazioni tecnico/ scientifiche
49 GAMMA ASTRONOMY
50 GAMMA ASTRONOMY with CHERENKOV TELESCOPES New Generation of Telescopes HESS, MAGIC (INFN) is showing REMARKABLE SUCCESS Number of known SOURCES (E > 1 TeV) tripled in 1.5 years [12 32] Spectrum, Morphology, Time Variations. Important implications for all the field.
51 CHERENKOV TELESCOPE
52 MAGIC
53
54 HESS (Namibia) Camera 5o Field of view Mirror 110 m2
55 Il telescopio HESS ha ottenuto i risultati piu'importanti Un anno di vantaggio Sistema Stereoscopico Ottimo programma Scientifico Una collaborazione di grande preparazione SERENDIPITY Le prospettive di MAGIC appaiono OTTIME Meta'del cielo disponibile Una soglia di energia inferiore (ancora sotto studio) (molto importante per sorgenti extra galattiche) Potenziale unico per la osservazione dei GRB Richiesta della costruzione di un secondo Telescopio [1.4 Meuro, (30% del costo) per la parte italiana ] Referees e Commissione 2 approvano scientificamente.
56 MAGIC Richiesta di Construzione di un Secondo Telescopio
57 Interesse a essere fortemente competitivi su una tecnica che appare molto promettente. Osservazione Stereo con due telescopi Aumenta la sensibilita' di un fattore 2. [2 telescopi insieme valgono 4 separati]
58 MORE DISTANT (but not too distant - few years) FUTURE The community of the Cherenkov Telescopes is actively discussing the next steps for the technique: Proposal soon to arrive on the table: Array(s) of many telescopes Joint LOI (MAGIC/HESS + VERITAS) to ESFRI in preparations. Linea di Ricerca che l'infn dovrebbe seguire attentamente.
59 ARGO: TIBET
60 Prospettive per il rivelatore ARGO-YBJ IDEA NATURALE ed ATTRAENTE : Osservare una gran parte del Cielo continuamente con tecniche di Extensive Air Shower [Alta Quota : Tibet ] (Sensibilita' inferiore ai telescopi Cherenkov, ma grande Apertura). Successo della tecnica dipende da: Serendipity [0.2 Crab /anno : cosa c'e' nel cielo?] Risoluzione Angolare Rejezione degli Hadroni. Verifica nei prossimi 2-3 anni e rivalutazione delle prospettive [Possibili estensioni di ARGO da discutere ]
61 GAMMA ASTRONOMY from SPACE
62 Compton Gamma Ray Observatory
63 EGRET all Sky Map
64 271 Sources
65 Il FUTURO della Astronomia Gamma dallo Spazio AGILE : ( ) GLAST : ( ) (ed oltre)
66 AGILE E' una MISSIONE SCIENTIFICA supportata dall'asi con partecipazione scientifica dell'inaf e dell'infn (performances dell'ordine di EGRET) [Simultaneous X-ray detection KeV] Massa Totale del Satellite 350 Kg Strumento Scientifico 120 Kg Strumento Calibrato INFN-LNF-BTF (novembre 2005) P/L Qualification and final testing (dec 2005) Launch feb/mar 2006
67 GLAST Miglioramento di Ordine di grandezza October 2005 LAT completed February 2006 Delivery to the NRL August 2007 Kennedy Space Flight Center GLAST: Potenziale Scientifico settembre 2007 Importantissimo γ e+ e LAUNCH
68 CUORE di GLAST interamente costruito da fisici INFN
69 Dopo GLAST? Analisi dei risultati ottenuti Rivalutazione della situazione scientifica Presentate idee in commissione GILDA [few MeV 100 MeV] Russian-Italian telescope X-ray polarimeter [Bellazzini, Costa]
70 TELESCOPI per NEUTRINI di ALTA ENERGIA
71 Concept of a High Energy NeutrinoTelescope Technique: Instrument a Large Volume of Water/Ice with Cherenkov Photon detectors (PMT' s) to Detect High Energy Astrophysical Neutrinos. Size: Identification of the dimension of a Cubic Kilometer as a Sufficient Size for such a detector considering the Expected Fluxes
72
73 Significato scientifico di: Aprire una nuova finestra Trovare un nuovo Messaggero per la osservazione dell'universo viene considerato di Grande Importanza.
74 Estensione della Lunghezza Onda delle OSSERVAZIONI Estensione del TIPO di PARTICELLA messaggera
75 Sforzo tecnologico, finanziario [e umano ] importante Esistono elementi di rischio scientifico (risultato marginale) [Come e'naturale per una ricerca di frontiera ed esplorativa] Contesto di Competizione Internazionale (Progetto ICECUBE al Polo Sud)
76 The ICE CUBE project has been funded January 2004 the US Congress has approved the NSF budget including the full ICE Cube (funding approved in Belgium, Germany and Sweden) [Several Reviews, in the US and Internationally have considered the project as highly interesting] Deployment in 6 years Nominally: End in January 2010.
77 ICECUBE Neutrino Telescope
78 ICECUBE 80 strings (distance 125 meters) 60 PhotoMultipliers per string (17 m separation) Total : 4800 PMT' s One String deployed in 2005 IceCube strings IceTop tanks Jan 2005 Jan 2006 Jan 2007 Jan 2008 Jan 2009 Jan 2010
79 Deployment of the strings
80 µ-event in IceCube Estimate of the Muon Energy from the Amount of e.m. radiation that accompany the particle AMANDA II
81 AMANDA Reconstructed Neutrino Spectrum No evidence for Astrophysical Neutrinos
82 AMANDA Up Going Muons Map 3369 events below horizon α No evidence for Astrophysical Neutrinos
83 Most Likely Event Rate from Extra Galactic Sources of Neutrinos 50 /year One order of Magnitude Uncertainty 500 /year : Upper Limit from Amanda (sensitivity) 5/year : Lower Limit (?)
84 Halzen (NOW 2004)
85 Estimate of the Neutrino Fluxes: Connection between OBSERVED Extra Galactic COSMIC RAY FLUX NEUTRINOS Estimate of Flux from Possible Classes of Sources (AGN/GRB) Waxman [Neutrino 2002 ]: GRB : 20 events/year in Km3
86 Progetti nel Mediterraneo 2400m 3400m ANTARES NEM O 4100m N E ST O R
87 Infrastruttura Sottomarina a Capo Passero Finanziata dall'infn Energico Programma di Design Study diretto dai LNS
88 South Pole Detector Mediterranean Latitude = (43o North)
89 North vs South celestial Hemisphere South Celestial Hemisphere (observed from the Norther part of the Earth) Contains the Galactic Center (detected at TeV Energies) a larger number of Galactic Source Candidates. One Galactic source: RX very likely at at 5 10 events / year
90 ICE versus WATER Advantages ICE No Radioactivity 40K No bioluminescence No sedimentation Longer Absorption Length (but More Scattering) Labs 100 m Leff scat 20 m Advantages WATER Detector recoverable (reconfiguration possible) Larger Depth possible Less Scattering Length (but more absorption) Labs 70 m Lscat > 100 m
91 Scienza di GRANDE RILIEVO. Verifica della fattibilita' tecnica Costruzione di una robusta Collaborazione Internazionale Completamento del Design Study KM3NET approvato dalla UE che include i tre programmi nel Mediterraneo. Definizione del SITO Valutazione dei tempi di deployment + competizione DECISIONE IMPORTANTE e DELICATA
92 PARTICELLE CARICHE (RAGGI COSMICI)
93 Cosmic Ray Spectrum E = 1019 ev
94 Problema chiave : RAGGI COSMICI alle ENERGIE piu' ELEVATE Strumento per risolvere il problema Pierre AUGER OBSERVATORY Spettro di Energia Composizione Distribuzione Angolare
95 GZK suppression
96
97 1600 detector stations 4 Telescope enclosures >1000 detector stations deployed 1.5 km spacing 6 Telescopes per enclosure 3000 km 24 Telescopes total 3 fluorescence building complete each with 6 telescopes 2
98
99 Same
100
101 Comparison to other data Form: Flux * E3
102 Tra due anni AUGER dovrebbe avere 7-9 volte la esposizione di AGASA. In posizione di chiarire la struttura dello spettro dei Raggi Cosmici alle Energie piu' elevate. Estensioni di AUGER dipendono dai risultati. Possibili sviluppi : AUGER NORTH (All Sky Coverage) INFILLING (Lower Threshold)
103 LOWER ENERGY COSMIC RAYS Measurements with detectors on BALLOONS and SATELLITES Perspectives for Pamela, AMS Long Duration Bvallon Flights
104 PAMELA Launch mar from Baikonur
105 IMPORTANT INVESTMENT IMPORTANT SCIENCE Very Desirable to see it in ORBIT
106 CREAM detector Potential of Long Duration Balloon Flights 16 dec jan 2005
107 CREAM 2 : Launch in Dec 2005
108 Cream Event
109
110 Astrofisica delle Alte Energie Campo di ricerca Dinamico. Sorprese continue Molte diverse Classi di Sorgenti Sorgenti Astrofisiche : Oggetti di Interesse Fondamentale Potenziale per Ricerca per la MATERIA OSCURA Fenomenologia di Quantum Gravity (violazioni principi di conservazione) CAMPO DI GRANDE INTERESSE SCIENTIFICO Merita un IMPEGNO IMPORTANTE da parte dell' INFN
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