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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.
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, 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 …
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
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)
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 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, 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 Raggi cosmici 42
Atmospheric
neutrinos
Extragalactic sources
Cosmologic neutrinos
Flusso atteso di
neutrini di
grande energia