Oscar Adriani Firenze, 3 Luglio 2002

La Fisica dei Raggi Cosmici:Presente e Futuro

•Passato: un po’ di storia…

} • Materia/Antimateria• RC di altissima energia

•Presente•Futuro

I Raggi Cosmici nel passato

1900/1925: Studi pionieristici (Hess)•Radiazione altamente penetrante•Provenienza terrestre?•Radiazione γ (ultra γ)?•Radioattivita’ naturale?

1925/1930: Primi studi sistematici•Radiazione carica•Effetti geomagnetici: Polo/Equatore

Effetto Est/Ovest

Passato a Firenze

1928: Rossi, Bernardini, Occhialini (gruppo di Arcetri)Primi studi della radiazione cosmicaTecniche innovative di rivelazione

•Contatori Geiger•Circuito coincidenze•Magnete deflettore

Studio degli effetti geomagnetici

Tecniche ‘moderne’

Attenuazione dei RC Circuito di Coincidenza

1 m di Piombo!!!

RC Fisica delle particelle

Dal 1930 fino al 1950 i RC sono stati il principale (unico?) acceleratore a disposizione per la Fisica delle Particelle!!!

1927: scoperta degli sciami prodotti dai RC1932: e+

1937: µ +/-

1947: π +/-

1947/1953: Inizio della proliferazione degli adroni: K+, K0, Λ0, Ξ-, Σ+

A partire dagli anni 50 gli acceleratori hanno ‘preso il sopravvento’ (anche a Firenze!):•Intensita’ (Luminosita’)•Direzionalita’•Energia fissata•Riproducibilita’ Solo per la Fisica delle particelle,

non per l’Astrofisica!!!!

Ma….

Anni 90: ritorno ai RC

1. Energie in gioco

2. Collegamenti interdiscplinari • Fisica Nucleare• SubNucleare• Astrofisica

3. Nuovi mezzi tecnici • Grandi rivelatori• Satelliti

pp → X pEmE pcm 2≅

Energie elevatissime (>106 ELHC)

LHC Beam Energy LHC CM Energy

High Energy

Very High Energy

Ultra High Energy

7.2−∝Φ EDeviazioni da questa leggedi potenza nelle regioni del•ginocchio (3.1015 eV)•caviglia (5.1018 eV)

7.2−∝Φ E

3−∝Φ E

7.2−∝Φ E

Cosa sono i RC?

Radiazione elettromagnetica: RadioIRVisibileUVXγ

Particelle cariche: pe-

e+

Nuclei Antinuclei????

Particelle neutre: ν???

Onde gravitazionali

p

AstronomiaAstrofisica

RC

Cosa possiamo imparare dai RC?

Misure/Effetti sperimentali Informazioni FisicheSorgentiMeccanismi di accelerazioneMeccanismi di propagazioneMezzo interstellareTempo di confinamentoNucleosintesiCampi magneticiFisica del soleGeofisicaSimmetria materia/antimateria???Nuove particelle???Materia oscura???Nuove interazioni???Cosmologia???

Composizione: p ≅ 85%He ≅ 12%C,N,O ≅ 10-2

Fe ≅ 10-4

e- ≅ 2%e+ ≅ 10-4

Spettri energeticiComposizione isotopicaRicerche di antinucleiRicerche di nuove particelle

Modulazione solareTaglio geomagneticoFasce di radiazioneAtmosfera (23 X0, 11 λI)

410−≅p

2 campi di ricerca 1) Ultra High Energy Cosmic Raysattivi a Firenze 2) Antimateria nei RCnegli ultimi anni

Ultra High Energy Cosmic Rays

Studio della regione dello spettro nella zona della caviglia (E > 1017 eV)Flusso ≅ 1 evento / km2 / anno a 5.1018 eV!!! Flusso ≅ 1 evento / km2 / secolo per E > 5.1020 eV!!!

•Statistica limitata•Rivelatori enormi•Rivelazione di sciami estesi

Situazione sperimentale attuale

Almeno 5 esperimenti hanno osservato eventi con E > 1020 eV(Volcano Ranch, Haverah Park, Yakutsk, Fly’s Eye, Agasa)

10)(

100)(

20

19

10

10

≅

≅

∫

∫∞

=

∞

=

eVE

eVE

dEEN

dEEN

Eventi osservati da Agasa per E > 1019 eVin coordinate equatorialiDistribuzione angolare isotropa?

Piano galattico

Piano supergalattico

Eventi osservati finora

1019 eV

Problemi: che particelle sono?da dove vengono?meccanismi di propagazione?

Lunghezza di attenuazione ≅ 100 Mpc

E’ possibile fare varie ipotesia) Nucleoni e nucleib) Elettroni e fotonic) ν

1 pc = 3.3 ly= 3.1 1016 m

Protoni: •interazione con fotoni di CMB (2.7 K)•p + γ → ∆+(1232) → πN•Energia di soglia: 5.1019 eV •Cutoff GZK (Greisen, Zatsepin, Kuzmin)•Lunghezza di attenuazione ≅ 100 Mpc

Nuclei: •Fotodisintegrazione con fotoni di CMB (2.7 K)•Lunghezza di attenuazione ≅ 10 Mpc

Elettroni e fotoni:•Produzione di coppie con CMB•Scattering Compton•Lunghezza di attenuazione ≅ 10 Mpc

Neutrini: Lunghezza di attenuazione ≅ 40 Gpc

Neutroni: •Decadimento β•Range ≅ 1 Mpc (γ ≅ 1011)

Per E ≅ 1020 eV l’universo e’ opaco per tutti i RC tranne che per i ν

UHECR con E > 1020 eV: 1) ν?2) provengono da d < 100 Mpc?3) mantengono la direzionalita’?

Dimensioni del Virgo clusterNon hanno controparte ottica!

20 problema: da dove provengono?

• Non possono venire dalla nostra galassia

• E’ possibile identificare sorgenti convenzionali vicine??? Difficile!!!• Meccanismi Bottom-Up di aumento di energia???

accelerazione ‘tradizionale’???vincolo di Hillas!!!

• Meccanismi Top-Down??? (decadimento di particelle con m >> 1020 eV)

• Tutti i meccanismi prevedono anche ν

Linea tratteggiata: Emax = 1020 eVRaggio di curvatura < dimensioni acceleratore!

Potenziali sorgenti

Diagramma di Hillas

Anisotropia dei RC con E > 1018 eV

Piano galatticoCentro della galassia

AGASA

•Scarti rispetto alla media della popolazione degli eventi con E > 1018 eV•Evidenza significativa (4 σ) di anisotropia•Esistono sorgenti galattiche di RC con E ≅ 1018 eV?

Esigenza di nuovi esperimenti per chiarire la situazione sperimentale

Tecniche sperimentali ‘a disposizione’

Particelle cariche: AGASA Aeff ≅ 100 km2

Osservazione degli sciami da terraFluorescenza+Cherenkov diretta: Auger Aeff ≅ 3000 km2

Fluorescenza+Cherenkov riflessa:Air Watch / Euso Aeff ≅ 20000 km2

Osservazione degli sciami dal cielo

Auger

Air Watch/Euso

Approccio ‘dal cielo’

Vantaggi :1. Grande massa di atmosfera (1012 ton)2. Copertura di tutto il cielo3. Osservazione di luce Cherenkov riflessa 3.

Svantaggi :1. Duty cycle 10% (giorno/notte/luna/nuvole)2. Costo/complessita’ (1500 kg)

Soglia elevata (5.1019 eV)

Possibilita’ di osservare ν

Fisica dei ν di altissima energia: s(nN) = 0.1 µb•Astronomia a neutrini (direzionalita’)•AGN•GRB• ν da interazioni di RC primari

Antimateria nei RC

Problema cosmologico: simmetria/asimmetria materia/antimateria?

Studio dei raggi γ del decadimento dei π0 dall’annichilazione materia/antimateria

L’universo ‘vicino’ (supercluster di galassie) e’ fatto solo di materia

Volume ≅ 10-8 volume universo

2 ipotesi cosmologiche: 1. L’universo e’ simmetrico: materia e antimateria occupano dominii differenti2. L’universo e’ fatto solo di materia;

Condizioni di Sakharov:1. Violazione numero barionico2. Violazione CP3. Non equilibrio termodinamico

Investigazione diretta della antimateria nell’Universo: Ricerca diretta di antiparticelle nei RC!!!!

Nep ,, +

•Antiprotoni: produzione secondaria in interazioni p-pproduzione diretta con vari meccanismi

•Positroni: decadimento dei π+ secondariproduzione diretta con vari meccanismi

•Antinuclei: evidenza diretta di antigalassie (antinucleosintesi)!!!

Esperimento PAMELA

Situazione sperimentale attuale

PamelaTime of flight

system

Transition Radiation Detector

Permanent magnet

EM Calorimeter

Anticoincidence system

1.2

m

Silicon Tracker

Pamela Subdetectors

Time-of-flight

• Gives L1 trigger / detects albedos / particle identification (up to 1GeV/c) / dE/dx

• Plastic scintillator + PMT

• Timing resolution = 70ps

Si-W Calorimeter

• Measures energies of e±. ∆E/E = 15% / E1/2.

• Si-X / W / Si-Y structure.

• 22 Si / 21 W ⇒ 16X0 / 0.9λ0

• Imaging: EM - vs- hadronicdiscrimination. Reconstruct long. and transverse shower profile.

Anticoincidence system

• Defines acceptance for tracker

• Plastic scintillator + PMT

• Binary read-out

[Acceptance ~21 cm2sr]

TRD

• Threshold device. Signal from e±, no signal from p, π

• 9 planes of Xe/Co2 filled straws (4mm diameter). Interspersed with carbon fibre radiators ⇒ crude tracking.

• Aim: 102 separation e -vs-p (above 1GeV/c). NB: 106

with calorimeter.

Si Tracker + magnet

• Measures rigidity

• 5 Nd-B-Fe magnet segments (0.4T)

• 6 planes of 300µm thick Sidetectors

• ~3µm resolution in bending view demonstrated,ie: MDR = 740GV/c

Separazione p-e+-

Aspettative di Pamela

Antinuclei

Signature of Neutralino Annihilations

• Distortion of antiproton flux due to one possible model ofneutralino annihilation based on MSSM

• This model predicts signal for large E(antip) ⇒ high mass neutralino (~1 TeV).

• Note that signal >> background for E(antip) 20GeV

• Need to perform an experiment accumulate a high purity sample anti-protons

Contribution from neutralinoannihilation [P. Ullio, astro-ph/9904086]

Secondary production (background!)

Conclusioni•La Fisica dei RC e’ un campo estremamente vasto e di grande interesse

•Ha giocato un ruolo fondamentale nel passato

•E’ un campo multidisciplinare

•UHECR e Antimateria sono solo 2 degli aspetti principali (Firenze)

)

•Presente: grosse incertezze nella situazione sperimentale

•Futuro: molto lavoro da fare!