ALCUNI COMMENTI PRELIMINARI Enegia delle paticelle unità di misua: ev (enegia acquisita da un elettone su 1 Volt ) KeV = 10 3 ev ; MeV = 10 6 ev ; GeV = 10 9 ev. Impulso p : si misua in ev/c (e suoi multipli) massa a iposo m o : si misua in ev/c 2 MA SPESSO : h = c = 1 Unita di massa (m) e di impulso (p)= ev E 2 p 2 = m 2 massa a iposo potone ~ 1 GeV, massa elettone = 511 KeV 1 E β=v/c γ = 2 1 β = m
Raggi Cosmici I aggi cosmici (CR ) sono paticelle elementai e nuclei in movimento nel cosmo. In paticolae sono pesenti in possimità della Tea. I aggi cosmici inteagiscono con gli appaati spaziali ilasciando enegia al loo inteno I aggi cosmici sono un laboatoio natuale dove studiae astofisica e fisica delle paticelle.
Cosa sono i RC? paticelle stabili Radiazione elettomagnetica: Paticelle caiche: Paticelle neute: Onde gavitazionali Radio IR Visibile UV X γ p e - e + p Nuclei Antinuclei???? ν??? Astonomia Astofisica (Pace) RC
1900-1950 RAGGI COSMICI E FISICA DELLE PARTICELLE
Anni 90: itono ai RC 1. Enegie in gioco maggioi che in acceleatoi 2. Collegamenti intediscplinai Fisica Nucleae Fisica delle paticelle Astofisica 3. Nuovi mezzi tecnici Gandi ivelatoi Palloni statosfeici Satelliti Tecnologie spaziali!!!! La fisica dei RC è uno dei campi di esploazione scientifica che più si è giovato della possibilità di andae nello spazio!!!!
RAGGI COSMICI PRIMARI INIZIO ATMOSFERA Suolo
Paticelle ed Inteazioni La fisica subnucleae studia i costituenti della mateia ( patoni e leptoni) e ceca di capie le inteazioni cui sono soggetti Inteazioni foti (foza elativa a ~10-18 cm ~1 ) Inteazioni e.m. ( ~10-2 ) Inteazioni deboli ( ~10-5 ) Inteazioni gavitazionali ( ~10-39 39 ) La foza gavitazionale è iilevante in quanto m p = 938 MeV = 1.67x10-27 kg. È comunque a lungo aggio. La foza debole (esponsabile dei decadimenti adioattivi e delle inteazioni di neutini è poco utile pe i ivelatoi. È a coto aggio. La foza fote è quella che tiene assieme i potoni (e neutoni) nel nucleo. È utilizzata solo nei Caloimeti Adonici. Anche questa foza è a coto aggio. La foza e.m., non è alto che la foza coulombiana. È a lungo aggio e quindi, nel caso di paticelle caiche domina a gandi distanze fino a ~ 1 f ( a piccole distanze domina la foza fote). Quest ultima è fondamentale pe i ivelatoi Inteazione Radiazione Mateia dominata da pocessi e.m.
4 tipi fondamentali di paticelle i cui pocessi d inteazione con la mateia sono classificabili in base alle loo popietà elettomagnetiche (e la loo massa) Caiche Neute paticelle pesanti potoni (p), muoni (µ), pioni (π), neutoni (n) elettoni fotoni aggi X, aggi γ
Paticelle Caiche PERDITA DI ENERGIA NELLA MATERIA 1. IONIZZAZIONE (inteazione con e - atomici) 2. IRRAGGIAMENTO DI FOTONI (Bemmstahlung nel campo coulombiano del nucleo ) p γ σ B m e 2 M 2 Ze Bemmstahlung e tascuabile pe potoni p
Pedita di enegia pe ionizzazione Osseviamo che de/dx (FORMULA DI BETHE BLOCH): de dx = 2 2 2 2 2 Z 2 1 1 2mc β γ T 2 max ρ4πn 0e mc z ln β 2 2 A β 2 I i. Dipende dalla caica della paticella incidente (z 2 ). (inteazione Coulombiana). ii. iii. Pe β cescente decesce come 1/β 2 aggiungendo un minimo pe βγ ~3 4 e poi isale in quanto log(β 2 γ 2 ) domina. (isalita elativistica). Dipende dal potenziale di ionizzazione medio del mateiale.
Pedita di enegia pe ionizzazione 10 8 Pe Z/A = 0.5 Al minimo di ionizzazione : ~2MeV (g/cm 2 ) -1 (da moltiplicae pe la densita ) de/dx (MeV g 1 cm 2 ) 6 5 4 3 2 H 2 liquid He gas Fe Sn Pb Al C Potoni Emin ~2GeV Elettoni Emin ~1 MeV 1 0.1 0.1 1.0 10 100 1000 10 000 βγ = p/mc 0.1 1.0 10 100 Muon momentum (GeV/c) 1000 0.1 1.0 10 100 1000 Pion momentum (GeV/c) 1.0 10 100 1000 10 000 Poton momentum (GeV/c) de dx = 2 2 2 2 2 Z 2 1 1 2mc β γ Tmax 2 ρ4πn 0e mc z ln β 2 2 A β 2 I
Elettoni & Positoni 2. Bemmstahlung nel campo coulombiano del nucleo acceleazione nel campo del nucleo atomico deflessione della taiettoia emissione di adiazione e.m. (fotoni) p γ Eγ = hν σ B q 4 Z 2 m e 2 M 2 Ze p
Elettoni & Positoni 2 paameti impotanti : 1. Enegia citica E c enegia paticella incidente pe la quale isulta - de dx Coll. = - de dx B E > E c domina Bemmstahlung e ± E c ~ 800 Z MeV
Elettoni & Positoni Positons Lead (Z = 82) 0.20 1 E de dx (X 0 1 ) 1.0 0.5 Electons E c Mølle (e ) Ionization Bemsstahlung 0.15 0.10 (cm 2 g 1 ) Bhabha (e + ) 0.05 0 1 Positon annihilation 10 100 1000 E (MeV)
DOSE DI RADIAZIONE UNITA DI MISURA DOSE ASSORBITA : RAD = 100 eg/g = 6,25 10 7 MeV/g=6,25 10 10 MeV/kg S.I. Gy( GRAY) = 100 RAD QUANTO FA MALE? DOSE EQUIVALENTE= DOSE X (FATTORE DI QUALITA ) S.I. Sv(Sievet) = 1 Gy X (F.Q.=1) REM = 1 RAD X (F.Q.=1) 1 Sv = 100 REM F.Q.=5 (potoni) F.Q.=1 (elettoni) Sulla tea 300 milliem/yea
Obit analysis Pola egions: Mid-latitudes:
Il campo magnetico teeste Coenti che cicolano nel coe della tea 11 o tilt fom otation axis Inveted dipole Offset fom cente of Eath Multipole tems Time dependent tems Inteaction with sola wind B(R,λ)=(1+sin 2 λ) 1/2 B 0 /R 3 B 0 =0.3 gauss λ=latitudine magnetica R in unità di aggi teesti (1 Tesla = 10 4 gauss)
B(R,λ)=(1+sin 2 λ) 1/2 B 0 /R 3 B 0 =0.3 gauss λ=latitudine magnetica R in unità di aggi teesti
B(R,λ)=(1+sin 2 λ) 1/2 B 0 /R 3
RAGGI COSMICI (CR) E AMBIENTE SPAZIALE PRINCIPALI CONTRIBUTI CR solai - Vento solae ; Sola Flaes (billamenti) CR galattici CR intappolati nel campo magnetico teeste (fasce di Van Allen)
RAGGI COSMICI SOLARI FLUSSO CONTINUO Vento solae (pessione di adiazione!!!!) v=450 km/sec ; E ~ KeV ρ = 9 p/cm3 ; B ~ 10-5 Gauss Sola Flaes (billamenti) MeV - 10 MeV 10 11 / cm -2 Gossa vaiabilità con il tempo (macchie, flaes etc.)
VENTO SOLARE FINO A 100 U.A.
VARIAZIONE ATTIVITA SOLARE - 11-22 anni Invesione del campo magnetico!
MODIFICA DELLA MAGNETOSFERA DOVUTA AL VENTO SOLARE Fino a 1000 Re
BRILLAMENTI E RAGGI COSMICI La fequenza dei billamenti e collegata al ciclo solae. L intensita dei billamenti vaia su vai odini di gandezza La fequenza vaia da 1/mese ad 1/anno Enegia dei potoni anche fino al GeV
Sola wind (KeV) Sola Flae (MeV-GeV ) Galactic CR (E>GeV)
RAGGI COSMICI GALATTICI ~10 2 /m 2 /secondo ~E -2.7 ~1/m 2 /anno Ginocchio ~E -3.1 ~1/km 2 /anno 1 GeV Caviglia ~E -2.7 ~1/km 2 /secolo
Misue all inteno dell eliosfea Flussi modulati in funzione dell attività solae PROTONI ALFA
EFFETTO RIMBALZO (CUTOFF GEOMAGNETICO) Pe pote entae nella magnetosfea : Pe potoni All equatoe : E>15GeV A 60 o di latitudine : E>0.5 GeV
Paticelle intappolate : le fasce di Van Allen Se le paticelle con enegia sotto il cutoff si tovano fuoi della magnetosfea non penetano all inteno Se le paticelle si tovano all inteno possono veni intappolate : FASCE DI RADIAZIONE (VAN ALLEN)
MOTO DI UNA CARICA IN CAMPO MAGNETICO COSTANTE qvb R v m F 2 = = qb v R = m B q v F v v v B q v F // = + = = v B F
Effetti della foza di Loentz: campo magnetico unifome, non otogonale al moto Se la velocità ha componente non nulla nella diezione di B, pecoso elicoidale La componente della velocità paallela all induzione da il passo dell elica, quella otogonale aggio e peiodo. Raggio e peiodo si calcolano consideando solo la componente otogonale
MOTO DI UNA CARICA IN UN CAMPO MAGNETICO DEBOLMENTE VARIABILE Se B=costante su R : Moto elicoidale. Il cento di ogni spia ( CENTRO GUIDA ) segue le linee di campo anche se cuve su gande scala. Le ulteioi piccole vaiazioni di B influenzano il moto del cento di guida
MOTO DI UNA CARICA IN UN CAMPO MAGNETICO DEBOLMENTE VARIABILE Se B non e costante su R ma B<<B : DRIFT DI GRADIENTE B(R,l)=(1+sin2l)1/2 B0/R3 DRIFT EST OVEST DEL CENTRO DI GUIDA
campo magnetico non unifome, intensità vaiabile nella diezione del moto del cento di guida Se il campo magnetico B non è omogeneo, la paticella saà soggetta ad un moto a spiale con aggio ( e velocità di otazione) vaiabile Se alle estemità B è molto intenso e ha una componente adiale, può iflettee la paticella; se questo avviene alle due estemità si ha la bottiglia magnetica
BOTTIGLIA MAGNETICA z F z = q v B B B z B Fz La componente Fz della foza è dietta dalla zona di campo piu intenso a quella di campo meno intenso. Il cento di guida imbalza da un collo all alto della bottiglia
Le fasce di adiazione (o di Van Allen) Si tatta di zone in cui le paticelle sono intappolate dal campo magnetico teeste. Il flusso di paticelle è di odini di gandezza supeioe ispetto all esteno Fuono scopete con un Geige a bodo del satellite Exploe 1 dal guppo di Van Allen nel 1958 Elettoni e potoni sono costetti a spialeggiae lungo le linee di foza del campo geomagnetico Possono costiuie un peicolo pe i satelliti che vi si tovano all inteno Pimo schema fatto da Van Allen sulla stuttua delle fasce di adiazione teesti: quella più intena è elativa a potoni; mente quella estena è costituita pincipalmente da elettoni.
PROTONI E~100MeV ELETTRONI E~10MeV
ELETTRONI PROTONI
ANOMALIA SUD ATLANTICA
Potoni, E>10MeV a 500 km di altezza elettoni, E>1MeV a 500 km di altezza
Obit analysis Pola egions: Mid-latitudes:
QUINDI ATTENZIONE A : LEO (200-700 km) CR Galattici (E>100 MeV-10 GeV) - ANOMALIA SUD ATLANTICA- MEO (700-35000 km) CR Galattici, fasce Van Allen GEO (35800 km) CR Galattici, Billamenti solai (se ci sono)
=.0001-0.005 Gy/h =.003 Sv/day =.01-0.1 Gy/h =1-10 Gy/h =.01-.3 Sv/day = 0.12-3.5 Gy/event =100 Sv/event = 0.1-5 Sv/day =2.5-3 msv/y
ρ=2.7 g/cm 3
250 µm 2500 µm 25 mm 250 mm
BIBLIOGRAFIA P.Fotescue,John Stak, G. Swined SPACECRAFT SYSTEMS ENGINEERING, WILEY S: Longai, High Enegy Astophysics, Cambidge Univesity Pess W.R.Leo, Tecniques fo Nuclea and Paicle Physics Expeiments, Spinge Velang, 1994
Effetti della foza di Loentz: campo magnetico non unifome, non otogonale al moto; Bottiglia magnetica infatti z z v v v u u u v + + = φ φ z z B B u u B + = = + + + = ) ( ) ( z z z z B B v v v u u u u u B v φ φ φ φ φ φ u u u u z z z z B v B v B v B v + = z z z z B qv F B qv B qv F B qv F φ φ φ = + = = cioè Dopo una iflessione, invetendosi il senso del moto, si invete la diezione di otazione, e quindi la diezione