i raggi cosmici hanno avuto un ruolo storico nello sviluppo della fisica subnucleare, ma le domande...
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I raggi cosmici hanno avuto un ruolo storico nello sviluppo dellafisica subnucleare, ma le domande fondamentali : • da dove provengono ?
• quali sono i meccanismi di accelerazione?
aspettano ancora risposte completamente esaurienti
La terra viene investita da un flusso di particelle cariche e neutre di alta energia di origine extraterrestre Il flusso di tali particelle è pari a circa 1000 per metro quadro per secondo (90% protoni, 9% elio ed il resto nuclei pesanti.
Raggi cosmici
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GeV TeV PeV EeV
Spettro d’energia
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ginocchio
caviglia
Discontinuita’ nello spettro
Spesso riportato spettromoltiplicato per E2 o E2.5 .Alquanto rischioso, poiche’ fortemente influenzato da errori sistematici in energiamisurata in esperimentidiversi.
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Composizione elementaredei raggi cosmici
Curva continua: distribuzione corretta tenendo conto del taglio a basse energie introdotto dal campo magnetico
Composizione elementare
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Domande fondamentali: 1) Da dove vengono? 2) Quali sono i meccanismi di accelerazione?
Risposte di prima approssimazione :1) Essenzialmente di provenienza galattica- (giroraggio)2) Meccanismo di Fermi
Problemi aperti
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1pc=3.1 x 1013 km1anno-luce=9.5 1012 km
Il campo magnetico galattico è circa 3G ed e’ mediamente parallelo al braccio della spirale della galassia, con grandi fluttuazioni
Confinamento dei RC nella Galassia
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Campo magnetico galattico uguale a circa 3G
Confinamento dei RC nella Galassia
pc) (300 Galattico disco del spessore03.0TeV 100energia Se
102.1;4 Fe di nucleo Se
)(.102.3;100 protone Se
:T1033B e GeV 100 di particella unaPer
Rigidita'
3.0
1
ccon v vv
:orbitadell' Raggio
6
5
10-
2
pcr
pcrGVR
pcparsrGVR
G
R
ZTB
GeVE
BcZe
pc
ZeBc
E
ZeB
mcr
BZer
γm
P
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30 kpc
300 pc
Protone da 5.1019 eV (50 PeV) in un campo di 3G
Confinamento dei RC nella Galassia
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Protone da 5.1019 eV (50 PeV) in un campo di 3Gr=18 kpc: confrontabile con le dimensioni dellaGalassiaPer energie elevate ci aspettiamo una qualche anisotropia
Confinamento dei RC nella Galassia
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Sistemi di coordinate[1]
Coordinate equatoriali: ascensione retta e
declinazioneAscensione retta R.A. ()declinazione
Tempo siderale diverso dal tempo solare
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Sistemi di coordinate[2]
Coordinate equatoriali: ascensione retta e
declinazioneAscensione retta R.A. ()declinazione
Relazione tra[ascensione retta –
declinazione]e [zenith () - azimuth()]
L e’ la latitudine localetS e’ il tempo siderale locale
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Sistemi di coordinate[3]Coordinate Galattiche: ascensione retta e
declinazionelatitudine galattica blongitudine galattica l
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Sistemi di coordinate[4]Relazione tra [ascensione retta-declinazione]e [latitudine-longitudine
galattica]
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Definizioni dell’anisotropiaRivelatore che opera in modo uniforme rispetto al tempo siderale efficienza dipende fortemente dalla declinazione , ma non dalla R.A. Si cerca allora eventuali asimmetrie in quest’ultima (chiamiamola )
Analisi armonica N eventi ad angoli i
.galattiche coordinatein energia,dell' funzionein B/A riporta si eNormalment
armonica seconda della fase e ampiezzaC,
armonica prima della fase e ampiezza,
12
2sin
24
2sin)(
:fit e siderale tempodel funzionein rate del conteggio attraverso
energia,dell' funzionein armonica seconda e prima edeterminar usa Si
tan
:Fase
sinN2;cosN2a
:dove;ar
:armonica prima della Ampiezza
2
1
21
1-
11
2122
B
tC
tBAtR
a
b
b
bN
ii
N
ii
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Anisotropia
Log E (eV) (%)
12 ~0.05
14 ~0.1
16 ~0.6
18 ~2
19-20 ~20
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Anisotropia dei raggi cosmiciLe asimmetrie misurate ad oggi sono molto piccole e cresconoall’aumentare dell’energia.Al di sotto di circa 10 GeV gli effetti del campo magnetico solare mascherano la direzione di provenienza.Per energie elevate, il massimo dell’asimmetria sembra puntarenella direzione del supercluster locale di galassie.
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Anisotropia ad alte energie [Agasa+..]
Asimmetria ad alte energie (E>4x1019 eV)
Dati di AGASA (47) + Haverah Park (27)+ Yakutsk (12)+ Volcano Ranch (6)
A sinistra: curva continuadistribuzione in latitudinesupergalattica degli eventi attesi dai vari esperimenti in assenza di anisotropie.A destra: distribuzione in latitudine supergalatticadelle Galassie entro 80 Mpc.
Distribuzione di materiaconcentrazione di galassieentro 20o dal piano supergalattico.Distribuzione dei raggi c. nessun eccesso
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Anisotropia ad alte energie [Agasa+..]
Distribuzione in bins angolari di 1o
Ora le Galassie “vicine”non mostrano alcunaparticolare concentrazione,mentre i raggi cosmici hannoun picco entro 10 dal pianosupergalattico
Large-scale isotropySmall-scale clustering
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Anisotropia ad alte energie{Agasa+...]
Direzioni d’arrivo di 114 eventi con E>4x1019 eV
Eventi indicati con cerchiettigrandi E>1020 eV
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Akeno 20 km2, 17/02/1990 – 31/07/2001, zenith angle < 45o
Red squares : events above 1020 eV, green circles : events of (4 – 10)x1019 eV
Shaded circles = clustering within 2.5o.
Chance probability of clustering from isotropic distribution is < 1%.
galactic plane
supergalactic plane
Arrival Directions of Cosmic Rays above 4x1019 eV
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Anisotropia [Agasa]
Correlazioni angolari tra sorgenti diverse
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Small-scale clustering
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Angular correlation of ultra-high energy cosmic rays with Angular correlation of ultra-high energy cosmic rays with compact radio-loud quasarscompact radio-loud quasars
Amitabh Virmani,
Astropart. Phys.17,
489, 2002
Radio-Loud Galaxies
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Nuclei primari carbone ossigeno ferro (prodotti dalla nucleosintesi stellare).
Nella radiazione cosmica si trovano Litio, Berillio e Boro facilmente prodotti da reazioni di spallazione.
Il rapporto primari a secondari porta alle seguenti conclusioni:
• I raggi cosmici nella loro vita attraversano circa 5-10 g/cm2
• Lo spessore attraversato diminuisce al crescere dell’energia Lo spessore trasversale della galassia è circa 10-3 g/cm2
• RC. attraversano migliaia di volte la galassia• RC alta energia passano minor tempo nella galassia
Composizione e tempo di “residenza” dei RC nella Galassia
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La misura del rapporto degli isotopi instabili con quelli stabili di nuclei “secondari” permette di valutare il tempo di residenza conf. dei R.C: nella galassia. In particolare l’isotopo più usato come orologio cosmico è il 10Be che ha una vita media di 3.9x106 anni
Tempo di residenza dei RC
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Spettro dei protoni, corretto per il taglio magnetico
Calcolo della densita’ d’energia
312
310
1
7.2
1
111205.07.2
/1028.1
1088.144
:energiad' Densita'
8.1
cmerg
cmGeVdEEEc
dEdE
dFE
c
GeVsrscmGeV
E
dE
dF
pCR
p
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Energetica dei Raggi Cosmici
Densità di energia locale dei raggi cosmici:E=0.8 eV/cm3
Densita’ di energia magnetica:B=0.2 eV/cm3
Densita’ di energia cinetica del gas interstellare:gas=1.0 eV/cm3
Densita’ d’energia luminosa:L=0.3 eV/cm3
Densita’ d’energia della radiazione cosmica di fondo:
CMB=0.3 eV/cm3
Coincidenze casuali ?
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Spettro dei protoni, corretto per il taglio magnetico
Parametrizzazione dello spettro energetico
141
111205.07.2
105.1
:'luminosita una ottiene si cui da
8.1
sergL
GeVsrscmGeV
E
dE
dF
cr
p
Compatibile con l’energia liberata nelle esplosioni di SN nella Galassia:1 SN ogni 50 anni (1.58x109 s) Energia/SN=1051 erg Energia media liberata/s=1051/1.58x109=6x1041 erg/sAmmettendo un’efficienza media di conversione del 25%LSN=1.5x1041 erg s-1
(Ginzburg e Syrovatskii -1964)
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Spettro dei protoni, corretto per il taglio magnetico
Calcolo della luminosita’
141
9
..
25.0
..
111205.07.2
105.1
108.4 :Galassia nella gas del totalemassa
14
:segue ne ;)(
)( :dove
9.6)( :E energia di cosmici raggi da vistacolonnare Densita'
141 :'Luminosita
8.1
sergL
MMdV
dEdE
dFE
EXdVL
EXcdxEX
cmgEEX
dVdEdE
dFE
cdVL
GeVsrscmGeV
E
dE
dF
CR
Sgas
pCR
confconf
p
confRC
confCR
p
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Accelerazione dei Raggi Cosmici
Accelerazione negli shock di SN ?Possibile solo fino a circa 1015 eVEnergie piu’ elevate ?Interazione con piu’ SNR’ fino a 1018 eVAlle energie piu’ elevate: prevalentemente nuclei
Vincoli sulle possibili sorgenti: Campo magnetico B nella zona dello shock;
dimensione Rdella zona di accelerazione
E=0.9 ZBR c(E in EeV, B in G ed R in kpc. = velocita’ delloshock) . Per fissato
logB~logE-logR (Hillas plot)In un grafico di logB vs logR rette parallele,
aventi intercettadata da logE.
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Hillas plot