Tome Antičić Institut Ruđer Bošković

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr1/37

Tome Antičić

Institut Ruđer Bošković

Visoko energetske kozmičke zrakePierre Auger observatorij

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr2/37

Astročestična fizika na IRBuAstročestična fizika na IRBu

IRB, svjetan novih trendova u znanosti, radi iskorak u astročestičnoj fizici

MAGIC experiement- Gama zrake 50 GeV do 30 TeV

Pierre Auger experiement- Nabijene čestice iznad 1 EeV

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr3/37

UHECR

Evolucija svemiraEvolucija svemira

Visoko Energetskekozmičke

zrake

danas

Velikiprasak

Vrijeme nakon velikog praska

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr4/37

Što (ne)znamo o visoko energetskim kozmičkim zrakama Što (ne)znamo o visoko energetskim kozmičkim zrakama

• Kozmičke zrake su visoko energetske nabijene čestice koje pljušte na površinu planete.• 85% protoni, 12% He, 2% elektroni, 1% teže jezgre.• Ultra-visokoenergetske kozmičke zrake su one koje imaju energije iznad 1018 eV (1 EeV).

• ZnamoZnamo

– energienergijeje ( (dodo 10 102020 eV). eV).

– energenergijskiijski spe spekkttarar

• Ne znamoNe znamo::

– Gdje su stvoreni Gdje su stvoreni

– Kako su stvoreni/ubrzani Kako su stvoreni/ubrzani

– Kako sa tako velikim energijama mogu proći tako velike udaljenostiKako sa tako velikim energijama mogu proći tako velike udaljenosti

– Što suŠto su (p(protonrotonii, , teže jezgreteže jezgre,, fotoni,neutrini) fotoni,neutrini)

– Da li su kozmičke zrake deflektirane magnetskim poljimaDa li su kozmičke zrake deflektirane magnetskim poljima

• Možemo li raditi astronomiju kozmičkim zrakama??Možemo li raditi astronomiju kozmičkim zrakama??

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr5/37

• jedna čestica u stoljeću po km2

Auger projekt fokusiran na najvišim energijama koje se mogu dosegnuti.

flux kozmičkih zraka vs energijaflux kozmičkih zraka vs energija

Teniska loptica 60 km/sat

energija

Joule po čestici!

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr6/37

Aktivna Galaktička Jezgra

Aktivna Galaktička Jezgra

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr7/37

For energy > 5 * 1019

Greisen, Zatsepin-Kuzmin (GZK) Cut OffČestice > 5 * 1019 eV

Moraju biti < ~ nekoliko*50 Mpc udaljeni

p + CMB p + 0

n + +

Interakcije sa kozmičkom mikrovalnom pozadinom Interakcije sa kozmičkom mikrovalnom pozadinom

Za energije

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr8/37

E=1019eV

E=1020eV

E=1018eV

Nabijene čestice su deflektirane:

• međuzvjezdanim galaktičkim poljem u našoj galaksiji (~0.5kpc, 2μG)

• intergalaltičkim magnetskim poljem (1.0Mpc, 1nG)

• ~1020eV

•Astronomija kozmičkih zraka

Low-energy cosmic ray sky

Putanja kozmičkih zraka do naše galaksijePutanja kozmičkih zraka do naše galaksije

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr9/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr10/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr11/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr12/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr13/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr14/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom?

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr15/37

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr16/37

photonselectrons/positrons

muons neutrons

Djeluje nemoguće...

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr17/37

• veliki skup detektora (scintilatori, tankovi vode, etc)• detektiri mali dio čestica na površini• Pljusak detektiran samo na površini, razvoj pljuska u atmosferi se ne vidi.• razlika u vremenu dolaska – putanja• energija i kompozicija ovisi o MC simulaciji, koja ovisi o ekstrapolacijama hadronskih modela na niskim energijama

Površinski detektoriPovršinski detektori

• 111 Electron Detectors• 100 km2

• 27 Muon Detectors

0 4km

ex: AGASA

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr18/37

Florescentni detektoriFlorescentni detektori

• Nabijene čestice u pljusku pobude molekule dušika u atmosferi.

• Dušik se vrati u prvotno stanje, ali šalje u svim smjerovima UV zrake (80% između 300 i 450 nm).

• Florescentna svjetlost se detektira sa fotomultiplikatorima po noći. Pljusak se vidi serijom detektora.

• Detektira se progres pljuska (vremenski i energijski – količina svjetlosti je proporcionalna broju čestica u pljusku).

• Operacija samo u noći, bez mjeseca i bez prašine i bez oblaka (oko 10% vremena)

• Potreba za dobrim znanjem atmosferskih uvjeta (aerosoli, atmosfersko monitoriranje nužno: T, P, oblaci)

•

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr19/37

Auger sjever planiran u Coloradu

Malargue je mali grad u pampama u Argentini blizu Anda.

Auger jug je ovdje.

17 Zemalja 70 Institucija

~400 znanstvenika

1938Pierre Auger otkriva

pljuskove prouzročene kozmičkim

sudarima u atmosferi

Pierre Auger ObservatorijPierre Auger Observatorij

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr20/37

Pierre Auger ObservatorijPierre Auger Observatorij

Hibridni detektor

• Auger spaja površinske i florescentne detektore.

• 1600 površinskih detektora razdvojeni 1500 m.

• 4 florescentna detektora.

• 3000 km2 površina.

http://www.auger.org

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr21/37

Communications antenna GPS antenna

Electronicsenclosure Solar panels

Battery box

3 9 inch photomultiplier tubes looking into the

water collect light left by the particles

Plastic tank with 12 tons of very pure water

Površinski detektorPovršinski detektor

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr22/37

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr23/37

4x6 floroscentnih teleskopa4x6 floroscentnih teleskopa

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr24/37

The fluorescence telescopeThe fluorescence telescope

30 deg x 30 deg view per telescope

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr25/37

Atmosfersko praćenjeAtmosfersko praćenje

Balloon probes (T,p)-profiles

LIDAR at each FD building

Central laser facility (fiber linked to tank)

light attenuation lengthAerosol concentration

steerable LIDAR facilities located at each FD eye

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr26/37

Događaj u florescentnom detektoruDogađaj u florescentnom detektoru

• Signal and timing

time

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr27/37

Flash ADC tracesFlash ADC traces

Lateral density distribution

Typical flash ADC trace

at about 2 km

Detector signal (VEM) vs time (µs)

PMT 1

PMT 2

PMT 3

-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 µs

18 detectors triggered

Događaj u površinskom detektoruDogađaj u površinskom detektoru

θ~ 48º, ~ 70 EeV

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr28/37

hibridni događaj

longitudinal profile

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr29/37

20 svibanj 2007 E ~ 1019 eV

Signal u sva 4 florescentna detektora i u 15 površinskih detektora!

Prvi 4-struki hibridni događaj 20 svibanj 2007

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr30/37

Calibration unc. 18%FD syst. unc. 22%

5165 km2 sr yr ~ 0.8 full Auger year

Exp Obs>1019.6 132 +/- 9 51

> 1020 30 +/- 2.5 2

Slope = -2.62 ± 0.03

•sharp suppression in the spectrum is seen for the last energy decade•pure power law is rejected with 6σ ( E > 1018.6 eV ) and 4σ ( E > 1019 eV )

REZULTATI- spektar energijaREZULTATI- spektar energija

GZK cutt off!

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr31/37

REZULTATI- Auger kemijska kompozicijaREZULTATI- Auger kemijska kompozicija

Vjerojatno nisu samo protoni

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr32/37

II. The UHECR Sky is anisotropicII. The UHECR Sky is anisotropic

Cen A

AGN

REZULTATI- Auger mapa najenergičnijih događajaREZULTATI- Auger mapa najenergičnijih događaja

New data confirms correlation with AGN clustering. Chance probability: 2× 10-3

• 472 AGN with z < 0.018 (red crosses), 27 cosmic ray arrival directions with 3.1º circle, color indicates relative exposure, position of CenA (white cross).

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr33/37

Što to znači?Što to znači?

• anisotropija!(izvor joše nepoznat)

• Intergalaktičko B-polje malo, kosmičke zrake dobri za mapiranje bliskog svemira

Početak “astronomije nabijenih čestica”!

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr34/37

Što očekujemu u budućnosti?Što očekujemu u budućnosti?

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr35/37

Astronomija pomoću kozmičkih zraka?Astronomija pomoću kozmičkih zraka?

0º 5º

Low-energy cosmic ray sky

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr36/37

Budućnost- Sjeverni Pierre Auger u ColoraduBudućnost- Sjeverni Pierre Auger u Coloradu

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr37/37

Down-going neutrinosDown-going neutrinos

Young neutrino shower

Old hadronic shower

Neutrinska Astrofizika Neutrinska Astrofizika

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr38/37

Earth-skimming neutrinosEarth-skimming neutrinosNeutrinska AstrofizikaNeutrinska Astrofizika

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr39/37

Auger (and HiRes) neutrino limitsAuger (and HiRes) neutrino limits

Pierre Auger Collaboration 2008, PRL submitted, arXiv:0712.1909(HiRes limits from: K. Martens for the HiRes Collaboration 2007, arXiv: 0707.4417)

Implications for Neutrino AstrophysicsImplications for Neutrino Astrophysics

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr40/37

kontaktkontakt

anticic@irb.hr

http://www.irb.hr/hr/str/zef/z3labs/lve/

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr41/37

Pulsar

GRB

AGN

SNR

Radio Galaxy

Ekstremni svemirEkstremni svemir

Introduction Silicon Silicon Silicon Silicon SiliconSiliconanticic@irb.hr42/37

Kandidati za izvor UHECRKandidati za izvor UHECR