la neutrino-astronomia: alle frontiere della fisica dei...
TRANSCRIPT
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012 1
La neutrino-astronomia:alle frontiere della fisica dei raggi cosmici
Parte II
Otranto, 24 Settembre 2012
Marco CircellaIstituto Nazionale di Fisica Nucleare - Sezione di [email protected]
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Raggi cosmici nella galassia Raggi cosmici sono per lo più nuclei completamente ionizzati Misure interpretate mediante un meccanismo di confinamento nell’alone galattico, con
stima della quantità di materiale attraversato (ξ) e del tempo di permanenza medio (τF):
ξ ≈ 5 g/cm2 e τF ≈ 107 anni Composizione e spettro in energia dei raggi cosmici cambia durante la propagazione
(per spallazione si generano nuclei cosmogenici Li, Be, B) Spettro dei raggi cosmici primari è parametrizzabile con legge di potenza in ampi
intervalli di energia. Fino a circa 1015 eV (cosiddetto «ginocchio») Spettro di emissione delle particelle alla sorgente dee essere anche parametrizzabile
come legge di potenza: Q(E) ≈ E -2.1
)( 7.2EE
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Spettro dei raggi cosmici (richiamo)
E < 1015 eV: Confinamento nel campo magnetico galattico Modello di accelerazione favorito è meccanismo
di Fermi su fronti di shock (supernovae?)
1015 eV < E < 1018 eV: Confinamento nella galassia diventa inefficace Modello di accelerazione favorito è per
induzione e.m. da pulsars Cambia la composizione?
E > 1018 eV Prevale componente extragalattica (?) Problema nel determinare le sorgenti Problema nel descrivere la propagazione GZK cut-off
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 20124
Sotto le ipotesi poste, per i nucleoni primari vale:
con Λ ≈ 120 g/cm2
Per eventuali particelle instabili, occorre ripetere stesso ragionamento ma introducendo la possibilità di decadimento. Per i pioni:
Flusso di raggi cosmici in atmosfera
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
5
Probabilità di decadimento vale:
perché:
Se E >> ε , i decadimenti si possono trascurare. Si ottiene:
con
e Λ= / (1 – Z) Massimo flusso è a:
Secondari (instabili) in atmosfera
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 20126
Se E << ε , i decadimenti prevalgono sulle interazioni. Si ottiene:
che si può ancora ridurre a:
Secondari di bassa energia in atmosfera
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Decadimenti in muoni e neutrini I mesoni decadono principalmente secondo:
Altro importante canale di decadimento è:
I muoni decadono come:
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Produzione di muoni in atmosfera Si può scrivere:
in modo da comprendere tutti i decadimenti possibili. Per esempio per i pioni:
Problema: come calcolare ?
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Cinematica dei decadimentiIn un decadimento a due corpi M -> m1 + m2 : Momento dei secondari nel sistema di riferimento a riposo di M è fisso:
(con ��=1)
In un sistema in cui M è visto in moto, queste quantità si trasformano come:
(i =1, 2) Perciò deve essere:
Assumendo una distribuzione angolare isotropa:si avrà:
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201210
Applicazione ai decadimenti di π e K Per decadimenti M (con energia E) in μ , i limiti in energia diventano:
Notare che <Eμ>/Eπ = 0.79 e <E>/Eπ = 0.21 Analogamente <Eμ>/EK = 0.52 e <E>/EK = 0.48
= Eµ//E
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201211
Produzione di muoni in atmosfera Perciò (nel limite relativistico):
con rM = mμ2/M2
Dunque:
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201212
Flusso di muoni in atmosfera Finché i decadimenti si possono trascurare (Eμ>> εμ):
L’espressione approssimata del flusso di muoni al livello del mare è:
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201213
Flusso di raggi cosmici in atmosfera
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201214
Perdite di energia nella materia
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201215
Perdite di energia nella materiaper muoni
Muoni di altissima energia subiscono perdite di energia ‘radiative’:
Ponendo: -dE/dX = a + E / ξSi ha: ΔXrange ≈ ξ ln (1 + E0 /E µc )
con E µc = a ξ
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201216
Muoni underground Perdita di energia per muoni di altissima energia è parametrizzabile
come:
con
Perciò deve essere:
se ε = ξ = E µc
In altre parole, per raggiungere la profondità X, occorre energia minima:
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201217
Flusso di muoni underground Alla profondità X, flusso misurato di muoni sarà:
Spettro in energia è calcolabile:
con Perciò se X << ξ:
lo spettro è costante a bassa energia e riproduce spettro in superficie per Eµ >> αX
*
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 201218
Spettri di muoni underground Se X >> ξ, lo spettro in profondità riflette lo spettro in superficie per
energie sufficientemente grandi (Eµ > E µc )
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Come individuare le sorgenti di raggi cosmici??
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Misure di raggi su satellite: FERMI
Calorimetro (CAL)96 barre di cristalli di CsI
drogato con Tl per la misura dell’energia
associata alle coppie e+ e- prodotte
Sistema di anticoincidenza (ACD)
schermo di 145 barre di scintillatori plastici segmentati per il rigetto dei raggi cosmici
carichi.DAQ
Elettronica
Tracciatore (TKR)36 piani di rivelatori a Microstrisce di silicio (SSD) alternati a fogli
convertitori di tungsteno per convertire i in
coppie e+ e-
Struttura modulare: matrice 4x4 di torri identiche
e+
e-
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Rivelazione di raggi gamma di energia del TeV(soglia ~ 100 GeV)
con telescopi Cherenkov
IACT Technique = Imaging Air Cherenkov Telescopes Technique
Gamma-ray
Particle shower
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Sistemi di telescopi Cherenkov
•Migliore risoluzione angolare•Migliore risoluzione energetica
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Gli Esperimenti per la rivelazione a terra di VHE gamma
STACEECACTUS
MILAGRO
TIBETARGO-YBJ
PACT
GRAPES
TACTIC
VERITAS
MAGIC
HESSCANGAROO
TIBET
MILAGROSTACEE
TACTIC
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
RXJ1713.7-3946
RXJ1713.7-3946
Seen by HESS
H.E.S.S.: full remnant
CANGAROO: hotspot
Index 2.2±0.07±0.1
Index 2.84±0.15±0.20
NB:
CANGAROO measures the spectrum for the NW part of the rim, HESS for the
entire region
No cut-off in the HE tail of HESS spectrum favors 0 decay scenario with respect to the case of e.m. processes
Study of electron density and magnetic field can help
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Galactic point SourcesThe case of RXJ1713.7-3946
Open problem: elusive 0 produced in accelerated nuclei collisions with SN ambient material. Still not a clear evidence… only a claim
0
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Closest AGNs
Galactic radius
(15 kpc)
5 Gpc
L’Universo NON è trasparente ai fotoni di alta energia
Effetti di cut-off per protoni e fotoni
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Perché l’astronomia del neutrino?L’osservazione di neutrini cosmici permette di studiare i fenomeni a volte
violentissimi che avvengono nel nucleo di oggetti celesti anche lontanissimi. Il neutrino è il messaggero ideale per la ricerca delle sorgenti di raggi
cosmici
Nessuna altra particella conosciuta offre le stesse opportunità. Infatti:• i fotoni (radiazione elettro-magnetica) possono essere assorbiti durante la propagazione• le particelle cariche (i raggi cosmici) possono essere assorbite e vengono deviate dai campi magnetici
luce e radiazione e.m.
raggi cosmici
neutrini
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Misure di neutrini dal Sole
Inputs Mass Age Luminosity Radius
No free parametersFusion neutrinos
SSM
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Misure di neutrini dal Sole (esempio)
Il Sole (“neutrinografia” di SK)
Il Sole (fotografia)
Radioactivity background
Sun direction
cossun
Super-Kamiokande: • 1000 m Deep Underground• 50,000 ton of Ultra-Pure Water• 11000 +2000 PMTs
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Distanza: 52 kpc(LMC)
Neutrini dalla supernova SN1987A
4 ore dopo l’esplosione23 febbraio 1987
Neutrini si originano in: • Neutronizzazione: ~10 ms 1051 erg• Termalizzazione: ~10 s 31053 erg
enpe
ee
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Neutrino production in beam dumps
Neglecting absorption(uncertain)
Targets: p or ambient
Beam-dump model: 0 -astronomy ± -astronomy
00
pp
ee ee
Target
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
From photon fluxes to predictions
dEdEdNEKdE
dEdN
EE
E
E
E max
min
max
minK = 1
3pEE
62pEEE
124pEEE
2 photons with
2 and 1 e with
The energy imported by a in decay is ¼ E K = 1 since energy in photons matches that in s
2s with Ep/12 for each Ep/6
nppppppp 0
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Expectation at Earth
00
pp
ee ee
e e
Target
Effetto delle oscillazioni su neutrini emessi da sorgenti astrofisiche (L > kpc : ∆m2 L/2E » 1)
\ e
e 60% 20% 20%
20% 40% 40%
20% 40% 40%
Beam dump when all s decay:
(a Terra)
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
High-depth
interaction
43°
p
Cherenkov light from induced by interaction detected by 3D PMT array
Time & position of hits allow the reconstruction of the (~ ) trajectory
N X
W
Both N & range E
p,
Detecting neutrinos underwater/ice
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
La caccia ai neutrini con ANTARES
Segnali indotti da un muone con energia di 1 TeV che attraversa l’apparato
I neutrini sono rivelatimisurando la luce emessa per effetto Cherenkov dai muoniprodotti nelle interazioni deineutrini
N XW
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
La capacità di puntamento
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
The target mass
)/1log(11
00c
EE
EEb
dEbEa
dEdEdxR
Ionization Stochastic losses~2 MeV/(g/cm2 ) (dominanti per E > 1 TeV )
baEc / critical energy
Upgoing muons: much larger interaction volume than the instrumented region
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Neutrino Telescope ProjectsANTARES : La-Seyne-sur-Mer, Francia
NEMO/KM3NeT: Capo Passero, SiciliaBAIKAL: Lake Baikal, Siberia
(AMANDA)/ICECUBE, Antartide
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
~70 m
100 m
350 m
15 m
cavo di 40 km verso riva
Un piano di rivelazione
Profondità ~2500 m
L’apparato ANTARES
Torre Eiffel(324 m)
ANTARES(450 m)
900 moduli ottici distribuiti in tripletti su 12 linee di rivelazione
Le linee sono poste a distanza di circa 70 m e sono alte circa 450 metri
40 km al largo di Tolone, a profondità di 2500 m
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Sky View
0.5 sr instantaneous common view1.5 sr common view per day AMANDA/IceCube
South Pole
ANTARES/KM3NeT43o North
2/3 of time: Galactic Centre
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
La difficile misura dei neutrini astrofisici
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Ricerca di sorgenti di neutrini astrofisici(ANTARES: 3000 eventi)
Si cercano cluster di eventi oppure eccesso da sorgenti candidateStima dell’energia degli eventi aiuta a diminuire il fondo
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Neutrino oscillations: ANTARES results
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Installazione di ANTARES
Viene installato il cavo di comunicazionesottomarino (2001)
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Installazione di ANTARES
Il cavo viene collegato a riva
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Installazione di ANTARES
Una linea è pronta per l’installazione
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Installazione di ANTARES
La linea viene caricata sulla nave
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Installazione di ANTARES
La linea viene immersa piano per piano
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Entra in azione il ROV (Remotely Operated Vehicle)
Connessioni sottomarine di ANTARES
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
La sala di controllo del ROV
Connessioni sottomarine di ANTARES
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Il ROV si avvicina alla base di una linea(a 2500 metri di profondità)
Connessioni sottomarine di ANTARES
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Connessione!
Connessioni sottomarine di ANTARES
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Imbarco di una torre prototipoNuovo progetto (KM3) basato su torri
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Deployment della torre prototipoInstallazione del prototipo di NEMO
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Installazione del prototipo di NEMO
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Connessione della torre prototipoInstallazione del prototipo di NEMO
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Absolute pointing in ANTARES: Surface Array
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Absolute pointing in ANTARES: Results
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare, Otranto, 21-27 Settembre 2012
Conclusioni La neutrino-astronomia offre nuove possibilità di investigazione degli oggetti più
lontani e bizzarri del cosmo e per l’identificazione delle sorgenti di raggi cosmici di alta energia
I vari apparati in funzione (ANTARES nel Mediterraneo, IceCube in Antartide) mostrano che la sfida tecnologica può essere vinta
Il Mediterraneo si offre come sito privilegiato di osservazione del centro galattico (con qualche complicazione per la costruzione e l’operazione dell’apparato…)
Costruzione di un nuovo apparato nello Ionio (3500 m di profondità, 80 km al largo di Capo Passero in Sicilia) in fase di avvio – target (prima fase): 10 volte la sensibilità di ANTARES
Campo molto promettente!!
Approcci alternativi (misura di neutrini di altissima energia in base ai segnali acustici e radio emessi dagli sciami) in esplorazione