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Piero Galeotti 1 Cosa sono i raggi cosmici (CR) ? I raggi cosmici sono particelle subatomiche cariche molto energetiche che bombardano continuamente la Terra. Lo spettro energetico inizia da circa 10 9 eV e sembra non avere un limite superiore . L’atmosfera terrestre assorbe la maggior parte dei raggi cosmici.

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Piero Galeotti 1

Cosa sono i raggi cosmici (CR) ?

I raggi cosmici sono particelle subatomiche cariche molto energetiche che bombardano continuamente la Terra.

Lo spettro energeticoinizia da circa 109 eV e sembra non avere un limite superiore.

L’atmosfera terrestre assorbe la maggior parte dei raggi cosmici.

I nuclei sono formati di protoni e neutroni

Protoni e neutronisono costituiti di

quark

Piero Galeotti, Università di Torino 4

u

d

c

s

t

b

e m t

ne nm nt

Carica

+2/3

-1/3

0

-1

quarks (q)

leptons

Particelle fondamentali

massa crescente

Piero Galeotti, Università di Torino 5

Si ritiene che i componenti elementari della materia siano quark e leptoni, e che le particelle elementari siano: adroni (3 quark), mesoni (2 quark) e leptoni.

Piero Galeotti 6

Le interazioni fondamentali

gravità

elettromagnetismo

debole

forte

Domenico Pacini (1905)

padre Theodor Wulf (1910)

Piero Galeotti, Università di Torino 8

… i raggi cosmici …

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.

1912

Il fisico austriaco Victor Hess compie dei voli in

pallone a quota 5000 metri con degli elettroscopi per

scoprire l’origine delle misteriose particelle che

sembravano pervadere l’atmosfera e che si

ipotizzava provenissero dalla Terra.

… nasce la fisica delle particelle elementari …

Astroparticle Physics 9

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici10

1932 Carl Anderson

scopre il positrone

1933 Patrick

Blackett e Giuseppe

Occhialini

fotografano la

coppia positrone-

elettrone

1937 Seth

Neddermeyer e Carl

Anderson scoprono il

muone

Fotografia stereoscopica di uno sciame (P.

Blackett & G. Occhialini, 1933)

1927 Dimitry Skobelzyn fotografa le prime tracce

da particelle di raggi cosmici

Telescope User date Intended Use Actual use

Optical Galileo 1608 Navigation Moons of Jupiter

Optical Hubble 1929 Nebulae Expanding

Universe

Radio Jansky 1932 Noise Radio galaxies

Micro-wave Penzias,

Wilson 1965 Radio-galaxies, noise

3K cosmic

background

X-ray Giacconi … 1965 Sun, moon neutron stars

accreting binaries

Radio Hewish,

Bell 1967 Ionosphere Pulsars

-rays military 1960? Thermonuclear

explosions

Gamma ray

bursts

nuove finestre,...nuove scoperte

Raggi cosmici:

un legame traastrofisica,

cosmologia efisica delle

particelle elementari

h

mv

Solo i muoni e i neutrini riescono a penetrare sotto grandi spessori di roccia.

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 14

fisici...

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 15

...alpinisti...

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 17

...o minatori

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 18

Inizio del progetto Gran Sasso

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 19

LNGS

sciami estesi (EAS, Extensive Air Shower)

Quando attraversa l’atmosfera terrestre

a

b

c

a) il raggio cosmico (particella primaria) collide con i nuclei dell’aria provocando una

b) cascata di particelle secondarie di energia più

bassa, che a loro volta

c) subiscono ulteriori collisioni producendo così

uno sciame di miliardi e più di particelle che

raggiungono il suolo terrestre in un’area la

cui estensione può essere anche di diversi

chilometri quadrati.

Oltre cento particelle secondarie di sciameattraversano il nostro corpo ogni secondo !

… e l’esposizione aumenta con l’altitudine

(i raggi cosmici sono di grande importanza in biologia; contribuendo, a lungo andare, alle mutazioni genetiche, hanno giocato e continuano a giocare un ruolo rilevante

nell’evoluzione della vita sulla Terra)

Gli sciami EAS contengono di tutto:

• nucleoni, nuclei,

• gamma duri,

• mesoni (p±,p0,K±, …),

• leptoni carichi (e±, m±, t±),

• neutrini (ne, nm, nt).

• …

P.Galeotti Raggi cosmici 21

~102/m2/secondo

~1/m2/anno

~1/km2/anno

Ginocchio

Caviglia~E-2.7

~E-2.7

~E-3.1

misure direttepalloni, satelliti

misure indirette(da EAS)

~1/km2/secolo

P.Galeotti Raggi cosmici 22

Raggio Cosmico primario

Osservabili

Ne ~E0

Nm

XMAX

direzioneSciami adronici e

elettromagnetici

e+,e-,m+,m-,

Xmax massimo sviluppo dello sciame

Radiazione

Cerenkov

Fotoni di Fluorescenza UV

Emissione isotropa

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 23

1957-1963 Volcano Ranch, New Mexico

1959 John Linsley e Livio Scarsi

rilevano un RC di energia molto

elevata: lo sciame secondario

contiene 30 miliardi di particelle

1962 viene rilevato il primo RC di energia E0 = 1020

eV. Lo sciame secondario contiene 50 miliardi di

particelle (1020 eV è l’energia sufficiente a sollevare

una massa di 1.5 kg ad un’altezza di un metro)

Piero Galeotti, Università di Torino 24

P.Galeotti, Univ. Torino 25Raggi cosmici

Third EGRET catalog271 sorgenti

94170

6

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 28

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 29

Fermi GLASTGamma ray Large Area Space Telescope

Large Area Telescope (LAT)

• 16 Tracker Modules (silicon-strip detector)

• Calorimeter

• Anti coicidence detector

20 MeV < E < 300 GeV

field of view 2.5 sr

Burst Monitor

10 KeV < E < 25 MeV

field of view: 8 sr

LAT

Launch in Feb 2007

AMS is studying extraterrestrial p+,

e-, ; antimatter nuclei (anti-He, C,

10-9); light isotopes;

Pamela e AMS

P.Galeotti Raggi cosmici 33

The ANTARES Detector12 lines of 25 storeys

900 PMs

P.Galeotti Raggi cosmici 35

AGASAAkeno Giant Air Shower Array

111 Electron Det.

27 Muon Det.

0 4km

P.Galeotti Raggi cosmici 36

1 rayon cosmique d’énergie de 3 1020 eV

– Fly ‘s eye (US, 81-92)

• 67 miroirs de 1,6 m de diamètre

• Point focal équipé de 12—14 PM

880 PM couvrant le ciel

P.Galeotti Raggi cosmici 37

la radiazione cosmica di fondo a 3 0K rende l’Universo

opaco ai raggi cosmici di energia molto elevata

K. Greisen - G.T.Zatsepin & V.A.Kuz’min (1966)

p

p+ p+p0

p+ n+p+

Ethr=6.8 1019 eV

l=1/sr=6Mpc

r~410 /cm3

s=135mbarn

GZK Cutoff

Raggi cosmici con energia E> 7•1019 eV

devono avere la loro sorgente entro 50Mpc

P.Galeotti Raggi cosmici 38

P.Galeotti, Univ. Torino I lunedi dell'Università 5/3/2012 39

L’osservatorio Auger, Area ≈ 3000 km2

• SD 1600 contatori spaziati ogni 1.5 km

• FD 24 telescopi in 4 siti

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 40

Cosmic Ray Propagation

in our Galaxy

Deflection angle < 1 degree at 1020eV

P.Galeotti Raggi cosmici 42

Atmospheric

neutrinos

Extragalactic sources

Cosmologic neutrinos

Flusso atteso di

neutrini di

grande energia

P.Galeotti, Univ. Torino Raggi cosmici 43

Ice Cube

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