Antiparticelle ed antimateria

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Corrado Bosco
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5 Antiparticelle ed antimateria We must regard it rather as an accident that the Earth and presumably the whole solar system contains a preponderance of negative electrons and positive protons. It is quite possible that for some of the stars it is the other way about. P. A.M. Dirac Nobel Prize lecture

Storia dell antimateria: Teoria ed esperimenti 1928: Predizione del positrone (Dirac) 1932: Scoperta del positrone (Anderson) 1955: Produzione di antiprotoni in laboratorio (Chamberlain et al.

7 Storia dell antimateria: Teoria ed esperimenti 1928: Predizione del positrone (Dirac) 1932: Scoperta del positrone (Anderson) 1955: Produzione di antiprotoni in laboratorio (Chamberlain et al.) 1960 s: BSU cosmologies (Klein, Alven, ) 1965: Scoperta della radiazione di fondo e Big Bang Cosmologies 1967: Condizioni di Sakharov (Sakharov) 1970 s: Misure di raggi gamma 1979: Scoperta degli antiprotoni nei raggi cosmici (Golden et al., Bogomolov et al.) 1996: Antiidrogeno prodotto in laboratorio (Baur et al.)

antiparticles falls, annihilation process ceases, effectively freezing the ratio: - baryon/photon = antibaryon/photon ~ 10-18.

9 Simple Big Bang Model The early Universe was a hot expanding plasma with equal number of baryons, antibaryons and photons. In thermal equilibrium the two-ways reaction was: B + anti-b g + g As the Universe expands, the density of particles and antiparticles falls, annihilation process ceases, effectively freezing the ratio: - baryon/photon = antibaryon/photon ~ Annihilation catastrophe. Instead, in the present real Universe: Baryon/photon ~ 10-9 (from direct observ. & microwave background); Antibaryon/baryon < 10-4.

13 What about the observations? Indirect -> By measuring: the spectrum of the Cosmic Diffuse Gamma emission Direct -> By searching for Antinuclei PAMELA AMS By measuring anti-p and e + energy spectra

$Indirect searches: antimatter/matter fraction limits$ g-ray and X-ray emission that would follow

$of antimatter: Antimatter/Matter fraction limit: In$ f< 10-10 In local clusters of galaxies: f<10-5

18 Indirect searches: antimatter/matter fraction limits On a wide scale, there is no evidence for the intense g-ray and X-ray emission that would follow annihilation of matter in distant galaxies with clouds of antimatter: Antimatter/Matter fraction limit: In Galactic molecular clouds: f<10-15 In Galactic Halo: f< In local clusters of galaxies: f<10-5 Antimatter must be separated from matter at scales at least as 50 Megaparsec

19 Direct searches: current status Antiprotons: DETECTED! secondary production P CR +H ISM P CR +He ISM a CR +H ISM p + anti-p secondary antiprotons a CR +He ISM Positrons: DETECTED! secondary production P CR + ISM N CR +ISM p+ -> m+ -> e+ secondary positrons Anti-nuclei: never detected! They would be the real signature of antistars because their production by spallation is negligible

Ricerca di antimateria nei raggi cosmici A differenza degli antiprotoni, la componente secondaria degli antielio risultante da interazioni dei raggi cosmici col mezzo interstellare è quasi

20 Ricerca di antimateria nei raggi cosmici A differenza degli antiprotoni, la componente secondaria degli antielio risultante da interazioni dei raggi cosmici col mezzo interstellare è quasi trascurabile, dell ordine di rispetto ai nuclei di elio. Esperimenti futuri spingeranno ulteriormente in basso questo rapporto. BESS polare avrà una sensibilità di circa 10-7 PAMELA di qualche alla 10-8 estendendo la regione di energia AMS dovrebbe raggiungere i 10-9

21 Prime misure nei raggi cosmici La prima misura di positroni nei raggi cosmici fu fatta nel 1964 da J.A. De shong, R.H. Hildebrand & P. Meyer (Phys. Rev. Let. 12, 3, 1964) Antiprotoni vennero identificati per la prima volta nei raggi cosmici nel 1979 da R.L. Golden et al. Phys. Rev. Let. 43, 1264, 1964)

22 BESS 97/98/00 T. Maeno et al.., astro-ph/ S. Orito et al.,prl 84, 1078 (2000)

$baryon fraction of the$ universe.

23 2. Dark Matter searches Big Bang nucleosynthesis can be used to determine the baryon fraction of the matter density in the universe. This information, combined with analysis of galaxy clusters, supernova data and the CMB radiation, gives convicing arguments for the existence of a large amount of nonluminous (dark) matter.

Materia Oscura (M33 Spiral Galaxy) [L. Bergström hep ph/0002126] Si interpreta la variazione nel red-shift nella galassia come una distribuzione di velocità.

26 Materia Oscura (M33 Spiral Galaxy) [L. Bergström hep ph/ ] Si interpreta la variazione nel red-shift nella galassia come una distribuzione di velocità. Teoria Newtoniana prevede che la velocità diminuisca attraverso il disco galattico proporzionalmente alla diminuzione della densità. INVECE le curve di rotazione non sono consistenti con questa predizione indicando, piuttosto che le galassie sono immerse in un alone di materia oscura che non irradia nè assorbe radiazione.

42 Candidati per la Materia Oscura Tra i molti candidati proposti per formare la Materia Oscura particolarmente rilevanti per lo studio dei raggi cosmici sono le Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), particolarmente: Particelle non da Standard Model come LSP, tipicamente neutralini supersimmetrici, χ 0. χ è la propria antiparticella e dall annichilazione attraverso vari canali (produzione di quark pesanti, W, ecc.) vengono prodotti e + ed p. Particelle da modelli Universal Extra Dimension: Lightest KK particle (LKP). LKP è un bosone e, quindi, l annichilazione in fermioni non è soppressa e può decadere direttamente a, per esempio, e + e -.

51 SIGNALS from RELIC WIMPs For a review, see i.e. Bergstrom hep-ph/ Direct searches: elastic scattering of a WIMP off detector nuclei Measure of the recoil energy Indirect detection: in cosmic radiation signals due to annihilation of accumulated cc in the centre of celestial bodies (Earth and Sun) neutrino flux signals due to cc annihilation in the galactic halo neutrinos gamma-rays antiprotons, positrons, antideuterons n and g keep directionality can be detected only if emitted from high c density regions Charged particles diffuse in the galactic halo antimatter searched as rare components in cosmic rays (CRs)

52 Antiparticle Probes c e +, t +, W + t + n t Z, h, H W + c e -, t -, W - n e e + c Z, h, H, A q Will distort the antiproton and positron spectrum from purely secondary production c q - p -

53 Neutralino Annihilation c g c Halo You are here Milky Way c p, - e + c c c X g n e p (GLAST, AGILE) (AMANDA / IceCube, ANTARES, NEMO) PAMELA (and Bess, HEAT, AMS etc.)

54 Black Hole contributions Y. Sendouda et al. astro-ph/

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