La Radiazione Cosmica di Altissima Energia

1. La Radiazione Cosmica di Altissima Energia B. D’Ettorre Piazzoli Dipartimento di Scienze Fisiche, Università “Federico II”, Napoli B. D'Ettorre Piazzoli

2. I Messaggeri Cosmici Lo studio dell’Universo viene condotto grazie a 4 differenti messaggeri • Fotoni • Raggi Cosmici • Neutrini • Onde Gravitazionali Radiazione elettromagnetica Nuclei e particelle carichi Particelle neutre Non ancora osservate Per comprendere a fondo l’Universo bisogna saper rivelare tutti i diversi messaggeri !! … per fare ciò ci vogliono “occhi adatti”… B. D'Ettorre Piazzoli

3. Lo Spettro Elettromagnetico Quello che vediamo noi… …Ma c’è di PIÙ B. D'Ettorre Piazzoli

4. Pulsar Radio Infrarosso Ottico Raggi - X Guardare l’Universo con “nuovi occhi”… Osservare l’Universo con “nuovi occhi” consente di scoprire della nuova Fisica e quindi dei nuovi fenomeni… Differenti immagini della Nebulosa del Granchio Le osservazioni a diverse lunghezze d’onda rivelano dettagli invisibili nell’ottico. B. D'Ettorre Piazzoli

5. L’Universo L’Universo è composto da Stelle raccolte in Galassie 1011 Stelle per 1011 Galassie B. D'Ettorre Piazzoli

6. Cos’è una Galassia ? Distanza Terra – Sole = 150 000 000 km = 1 Unita’ Astronomica (A.U.) La luce del Sole (v = c = 300 000 km/sec) impiega 8 minuti a giungere sulla Terra 1 anno-luce = 9.5 x 1012 km B. D'Ettorre Piazzoli

7. Cos’è una Galassia ? Distanza tipica tra Stelle in prossimità del Sole Il sistema solare e’ troppo piccolo per essere visto in questa scala B. D'Ettorre Piazzoli

8. Cos’è una Galassia ? Galassia = insieme di Stelle, Gas e Polveri tenute insieme dalla Gravità B. D'Ettorre Piazzoli

9. Esistono molti tipi di Galassie… B. D'Ettorre Piazzoli

10. Esistono molti tipi di Galassie… B. D'Ettorre Piazzoli

11. Stella tipica: il Sole by SOHO B. D'Ettorre Piazzoli

12. Eruzioni Solari by SOHO B. D'Ettorre Piazzoli

13. La Struttura del Sole B. D'Ettorre Piazzoli

14. Gravità IN Pressione OUT L’equilibrio di una Stella La stabilità di una Stella è conseguenza dell’equilibrio tra l’energia rilasciata nel processo di Fusione Nucleare e quella Gravitazionale. Durante tutta la vita di una stella queste 2 forze determinano le condizioni di equilibrio e gli stadi evolutivi. Durante il processo di Fusione Nucleare vengono bruciati in successione nuclei di tutti gli elementi chimici a partire dall’Idrogeno. B. D'Ettorre Piazzoli

15. 4 atomi di Idrogeno si fondono e producono 1 atomo di Elio 4 (1H) 4He + 2 e+ + 2 neutrini Da dove proviene l’energia ? Quando la temperatura raggiunge circa 15 milioni di gradi inizia la Fusione Nucleare al centro di una stella 1 4He + 2 e+ + 2 neutrini + energia Ma da dove proviene l’energia ? Dal fatto che la massa di 4 atomi di 1H è maggiore della massa di 1 atomo di 4He E = mc2 B. D'Ettorre Piazzoli

16. Evoluzione di una Stella Una stella di grande massa brucia elementi sempre più pesanti, ma si deve fermare al Ferro perché questo è l’elemento più stabile in natura. B. D'Ettorre Piazzoli

17. L’inizio della fine… • Quando l’Idrogeno si è esaurito • la gravità non è più bilanciata • la contrazione ed il riscaldamento continuano • inizia il bruciamento di elementi più pesanti • l’energia cinetica del collasso viene convertita in calore e gli strati esterni si espandono • la stella può esplodere Supernova B. D'Ettorre Piazzoli

18. Puff! Bang! Bang! Supernovae Le stelle piú grandi finiscono la loro vita con una spettacolare esplosione e diventano Supernovae La sorte di una stella dipende dalla sua massa. B. D'Ettorre Piazzoli

19. Prima Dopo Supernova 1987a nella Grande Nube di Magellano B. D'Ettorre Piazzoli

20. Stella come Laboratorio Le stelle sono importanti perché si comportano come laboratori che sintetizzano i differenti elementi chimici Quando una stella muore questi elementi vengono distribuiti nell’Universo Una parte e` accelerata alle alte energie Raggi Cosmici Il gas interstellare viene compresso dall’onda generata dall’esplosione della Supernova, favorendo la nascita di nuove stelle che si formano in un mezzo arricchito di elementi chimici pesanti. B. D'Ettorre Piazzoli

21. Cosa sono i Raggi Cosmici ? Sonoparticelle che provengono dallo spaziocon velocitá prossime alla velocitá della luce (300.000 Km/sec). Formano una sorta di “pioggia” che bombarda senza sosta la nostra Terra da ogni direzione. Fuori dall’atmosfera terrestresu ogni metro quadratocadono circa30000 particelle ogni secondo!!! B. D'Ettorre Piazzoli

22. elettrone nucleo (protoni + neutroni) Quali Particelle formano i Raggi Cosmici ? I raggi cosmici sononuclei di atomi di materia ordinaria. L’atomo piú comune nell’ Universo é l’atomo diIdrogeno. Il suo nucleo é costituito da unprotone. B. D'Ettorre Piazzoli

23. Breve storia dei Raggi Cosmici 1912 Il fisico austriaco Victor Hess compie dei voli in pallone a 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. … prende vita la fisica delle particelle elementari … B. D'Ettorre Piazzoli

24. V = 1 Volt e- E = 1 eV L’energia dei Raggi Cosmici L’energia dei R.C. si misura in elettron-volt La luce = radiazione elettromagnetica costituita da fotoni di energia pari a circa 1 eV. I R.C. sono particelle con energie che vanno dai milioni di eV (MeV) fino a 100 miliardi di miliardi di eV (1020 eV) !!!! Queste sono energie così elevate che non si riescono a raggiungere sulla Terra neanche con gli acceleratori più potenti. B. D'Ettorre Piazzoli

25. Origine Galattica 1 p/(m2sec) Knee 1 p/(m2y) Origine Extra-Galattica 1 p/(km2y) Fino a 1020 eV !!! Lo Spettro dei Raggi Cosmici B. D'Ettorre Piazzoli

26. ginocchio caviglia Il “Modello Standard” dei R.C. Origine Galattica:fino al “ginocchio” i R.C. sono prodotti da sorgenti nella nostra Galassia (SNR). Origine Extra-Galattica:i R.C. di più alta energia sono prodotti in altre Galassie. Cosa accelera i R.C. fino a queste elevate energie ? Esistono sistemi astrofisici particolari che sono dei veri e propri “Mostri del cielo” !!! B. D'Ettorre Piazzoli

27. Supernovae: acceleratori di Raggi Cosmici ? L’esplosione delle Supernovae accelera i nuclei (dall’Idrogeno fino al Ferro) prodotti nel corso della vita delle Stelle. Queste particelle sono i Raggi Cosmici di origine Galattica I R.C. sono un “gas” che permea tutta la Galassia. Galassia = “bottiglia magnetica” che confina i R.C. per milioni di anni. Il Sistema Solare si muove in questo gas. 1 parsec = 3.3 anni-luce = 3.1 1013 km =2 105 A.U. B. D'Ettorre Piazzoli

28. Abbondanza degli elementi B. D'Ettorre Piazzoli

29. Altre sorgenti dei Raggi Cosmici Alle basse energie:il nostro Sole Alle alte energie: Esplosioni di Supernova Ad altissime energie: Buchi neri, gamma-ray bursts, oggetti sconosciuti dell’Universo....... ????? B. D'Ettorre Piazzoli

30. Buco Nero Milioni di anni luce !!! I Nuclei Galattici Attivi M 87 Cygnus A Sono Galassie con un Buco Nero al centro e con 2 jets simmetrici di materia. (60 milioni di anni-luce) B. D'Ettorre Piazzoli

31. I Nuclei Galattici Attivi B. D'Ettorre Piazzoli

32. Perche’ si studiano i Raggi Cosmici ? Lo studio dei Raggi Cosmici fornisce dati sperimentali che permettono di formulare modelli sulla struttura e sull’evoluzione dell’Universo. Consentono di indagare oggetti astrofisici “particolari” (stelle binarie, buchi neri, pulsars, …). Inoltre, negli urti ad altissima energia delle particelle primarie con i nuclei dell’atmosfera si possono studiare studi sulle interazioni tra particelle elementari ad energie non raggiungibili con gli acceleratori. B. D'Ettorre Piazzoli

33. Particelle cariche dal cosmo • Protoni, particelle, nuclei pesanti • Nessuna anisotropia significante è stata osservata • (“ben mescolata” dal campo magnetico della Galassia) • Energie oltre 1010 eV provengono dalla nostra Galassia • (N.B.: gli schermi di TV e PC usano fasci di elettroni di 103 eV • Energie oltre 1018 eV sono di origine extragalattica • L’intensità diminuisce rapidamente con E (secondo E-2.7): L’energia più alta rivelata è ~1020 eV, circa 50 joule (l’energia di un pallone da calcio a 50 km/h in un solo protone!) B. D'Ettorre Piazzoli

34. Una lunga lista di problemi aperti… • Come/dove sono prodotti i raggi cosmici? • Quali processi li accelerano fino ad energie così elevate? • - Shock nelle Supernovae? • - Sistemi binari compatti? • - Nuclei Galattici Attivi? • Perché i raggi cosmici di energia più elevata non provengono • da qualche punto particolare? • Perché ci sono dei cambi di pendenza nello spettro d’energia • dei raggi cosmici? • - il ginocchio a 1015 eV (1 PeV) • - la caviglia a 1019 eV (10 EeV) • - l’alluce (?) a 1021 eV (1 XeV) • Come fanno a giungere fino a noi i raggi cosmici di energia più • elevata (1020 eV)? • -l’interazione con la radiazione di fondo(“GZK cutoff”) • dovrebbe fargli perdere energia B. D'Ettorre Piazzoli

35. Prima degli acceleratori di particelle… Principali scoperte nella fisica delle particelle elementari studiando le interazioni dei raggi cosmici nell’atmosfera: 1932:positrone o anti-elettrone (Anderson) 1937:muone  (Neddemeyer, Anderson) 1947:pione (Powell) B. D'Ettorre Piazzoli

36. e   Scoperta del Pione Nel 1947 Powell, Occhialini e Lattes scoprirono l’ esistenza del pione grazie a osservazioni di raggi cosmici fatte a Chacaltaya. Nel 1950 Powell vince il premio Nobel Nel 1952 nasce il Laboratorio di Chacaltaya. B. D'Ettorre Piazzoli

37. Cosa ci interessa conoscere ? Le caratteristiche piu` rilevanti dei Raggi Cosmici sono: • Natura(se è, ad esempio, un protone oppure un nucleo di ferro) • Energia • Direzione di provenienza nel cielo • Sorgente di origine Con queste informazioni si possono costruire dei modelli per spiegare nascita, accelerazione e propagazione dei RaggiCosmici. B. D'Ettorre Piazzoli

38. Come scoprire le sorgenti di Raggi Cosmici ? I raggi cosmici perdono la loro direzione originariaperché sono particelleelettricamente carichee vengono deflesse daicampi magneticidella Galassia. Ma i fotoni (ed i neutrini), che vengono prodotti insieme ai raggi cosmici, non sono deflessi e dalla loro direzione possiamo individuare le sorgenti. B. D'Ettorre Piazzoli

39. Come si rivelano i Raggi Cosmici ? Dallo spazio 1 - Esperimenti su pallone o satellite Da Terra 2 – Telescopi Cerenkov 3 – Apparati di sciame B. D'Ettorre Piazzoli

40. Rivelatori di Raggi Cosmici Telescopi Cerenkov Satelliti Rivelatori di sciami 106109 10121015 1018 eV Energia B. D'Ettorre Piazzoli

41. Gli Sciami Atmosferici Estesi Sono il risultato dell’interazione dei Raggi Cosmici con l’atmosfera. Raggio Cosmico primario B. D'Ettorre Piazzoli

42. Disco di particelle che si propaga in atmosfera fino a terra La Rivelazione degli Sciami Estesi B. D'Ettorre Piazzoli

43. I Rivelatori di Sciami Atmosferici Estesi B. D'Ettorre Piazzoli

44. Alcuni tra i piú importanti laboratori in alta quota nel mondo.... In Europa: Plateau Rosa– Italia, Valle d’Aosta - 3505 m Jungfraujoch– Svizzera – 3560 m Campo Imperatore– Italia, Gran Sasso - 2000 m Sull’ Himalaya: Yangbajing- Tibet - 4300 m Sulle Ande: Chacaltaya- Bolivia - 5200 m B. D'Ettorre Piazzoli

45. Laboratorio della Testa Grigia Plateau Rosa 3505 m B. D'Ettorre Piazzoli

46. Laboratorio della Testa Grigia Fondato nel 1947 dal CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) B. D'Ettorre Piazzoli

47. Jungfraujoch – 3560 m B. D'Ettorre Piazzoli

48. Sulle falde del Gran Sasso Laboratorio di Campo Imperatore, 2000 m (1985 – 2000) B. D'Ettorre Piazzoli

49. Esperimento EAS-TOP B. D'Ettorre Piazzoli

50. EAS-TOP d’inverno B. D'Ettorre Piazzoli