“High Energy Astrophysics”

Studio della Emissione di Alta Energia

di diversa natura

(Fotoni, Neutrini, Raggi Cosmici)

da Sorgenti Astrofisiche.

Paolo Lipari1-dec-2005INFN Roadmap Meeting

Astrophysical  Source  of High Energy  Radiation

e±

p

Astrophysical  Objectcontaining:

Populations ofrelativistic  protons, Nucleielectrons/positrons 

Emission  of: 

γ rays

Neutrinos

Cosmic Rays

“Hadronic Emission”

“Leptonic Emission”

● GAMMA RAY's

● NEUTRINO's

● COSMIC RAY's

● GRAVITATIONAL WAVES

Osservazioni con 4 “MESSAGGERI

● “ASTROFISICA”

● DARK MATTER SEARCH

● COSMOLOGICAL STUDIES

● TESTS OF FUNDAMENTAL LAWS

SCIENZA di questa LINEA di RICERCA

“Solamente ASTROFISICA” (?)

Studio di “EXTREME ENVIRONMENTS”di FORTE e “FONDAMENTALE” INTERESSE

● Ambiente vicino all'orizzonte di BUCHI NERI (di Massa Stellare a SuperMassivi)

● Struttura delle Stelle di Neutroni e dei Campi Elettromagnetici all'interno ed intorno a questi oggetti

Campio di Ricerca in RAPIDO SVILUPPO e MATURAZIONE

CLASSI di SORGENTI OSSERVATE

● SUPERNOVA REMNANTS

● PULSAR WIND NEBULAE

MICROQUASARS

● GALACTIC CENTER

● ACTIVE GALACTIC NUCLEI

● GAMMA RAY BURSTS (low energy)

Galactic

ExtraGalactic

FotoniE � 10 TeV

SuperNova Remnants: RX1713.7-3946

Discovered in 1996in X-rays by the Roentgen Satellite (Rosat)

Visible (Chinese Astronomers)february 27 – march 28AD 393

HESS telescope Contours : X-raysColors TeV photons

Gas density

Proton Population inside theSN remnant

4949

SOURCE of GALACTIC COSMIC RAYS

PULSAR WIND NEBULAE

Electromagnetic Fields Near the Surface ofthe Neutron Star are strong enough to pullcharged particles out of the neutron star(or generate pairs of e+e-)Creating a “Pulsar Wind”

The pulsar wind creates shocks near the neutron starthat accelerates electrons and positrons to relativistic energies

Crab X-rays (Chandra)

CRAB NEBULA (Self Synchrotron Compton)

Synchrotron Emission Inverse Compton

VELA PULSAR

HARD SpectrumExtending to 50 TeV

No Pulsar emissionobserved

PSR J1826-1334 (“the Mouse”)

Pulsar in a Binary System

PSR B1259-63 : Time Variability

PSR B1259-63

LS 5039Micro-Quasar

MICROQUASARSGRS 1915+105

Detection in Radio(VLBI)

Galacticbinary systemwith one stellar massblack hole 

Symmetric emission  ofPlasma  "blobs"

LS 5039

LS 5039

Geometry of the emission of the two  jets

JET

Radio emission

JETs in ASTROPHYSICS

3C219

Optical

Radio

ACTIVE GALACTIC  NUCLEI

GAMMA  RAY  BURSTS  (GRB's) 

Stellar Gravitational Collapse

Merging of compact Objects

Stellar Gravitational Collapse

Merging of compact Objects

“Just Astrophysics” e' SCIENZA FONDAMENTALE di prima classe

di GRANDE e NATURALE INTERESSE per l'INFN

INDIRECTDETECTIONof DARK   MATTER   

Galactic Dark Halos

Time  Modulation

DIRECT SEARCH for DM

INDIRECT DM Search METHODS:

● Gamma Rays

● Antiparticles

● Neutrinos

SENSITIVITY

of the INDIRECT METHODS

of DARK MATTER SEARCH are

COMPARABLE

(and COMPLEMENTARY)

TO THE DIRECT METHODS

Example :ILIAS/HEAPNET/FP7/APPEC-PRC Meeting (Munich 23/25 nov 2005) Dark matter theory talk of Munoz :(GLAST cover all SUGRA parameter space)

Sun,  Earth

Wimp

Elastic Scattering

Neutrino Emissionfrom the center of theSun and the Earth

Indirect Search for WIMP's

Accretion in the  Sun and the Earth

Photon Signatures of Dark Matter Annihilation:

Spectral and Angular:

Look at the GALACTIC CENTER

GALACTIC CENTER

(infrared light)

Black Hole 3 Million Solar Masses

Estimate of the Mass and Sizeof the Central Object(nearly certainly a Black Hole)

Point-like core

Extended tail

Similar to NFW prof ile

Angular distribution

GALACTIC CENTER

Contours : RadioColors : HESS E > 1 TeV

Power law index 2.3(Astrophysical Flux)

No significant Variability in 40 hourse of observationsdistributed in 2 years

Galactic Center Observed from 100 GeV to 10 TeV

Scienza:

COSMOLOGY APPLICATIONS:

● GRB sono potenzialmente la “candela” piu' luminosa per estendere le misure delle SN Ia e studiare la storia della espansione cosmica (e la formazione di struttura) [1 GRB osservato a redshift z > 6 (!) ]

● Osservazioni AGN (assorbimento dei fotoni) hanno il potenziale di determinare la distanza

Scienza:

Tests of Fundamental Laws

Esempi:G.Amelino Camelia, J.Ellis, N.E.Navromatos,D.V.Nanopulos, S.Sarkar, Nature 1997.

“Tests of Quantum Gravity from Observationsof Gamma Ray Bursts” : [342 citations]

New TeV scale Physics can be probed withobservations of Ultra High Energy Particles.

L.Anchordoqui, J.Feng, H.Goldberg, A.Shapere:“Black Holes from Cosmic Rays: Probes of Extra dimensionsand new probes on TeV-scale Gravity' [142 citations]

Quantum Gravity Effects:Dispersion Relation for Photons in quantum foam

High Energy Photons delayedHigh Energy Photons delayed

PROGRAMMA di STUDI SPERIMENTALI

approvato dalla COMMISSIONE 2

Esperimenti Astrofisica Astronomia Gamma

AGILEGLAST

ARGO-YBJMAGIC

RaggiCosmici

PAMELAAMSCREAM

AUGEREUSO (RD)

Astronomia Neutrino

ANTARESNEMO-RD

(KM3 Mediterraneo)

I programmi sperimentali finanziati dalla Commissione 2 :

● Hanno appena iniziato a prendere dati MAGIC AUGER CREAM

● Cominceranno tra breve a prendere dati AGILE GLAST PAMELA AMS (ISS possible problem)

● Sono in fase di Design Study KM3

Risultatiimportantiattesi/sperati

Necessariaattenta valutazionedelleimplicazionitecnico/scientifiche

Problema“scottante”

GAMMAASTRONOMY

GAMMA ASTRONOMYwith CHERENKOV TELESCOPES

New Generation of Telescopes HESS, MAGIC (INFN)is showing REMARKABLE SUCCESS

Number of known SOURCES(E > 1 TeV) tripled in 1.5 years [12 → 32]

Spectrum, Morphology, Time Variations.Important implications for all the field.

CHERENKOVTELESCOPE

MAGIC

HESS  (Namibia)

Mirror110 m2

Camera 5o  Field of view

Il  telescopio HESS ha  ottenuto  i risultatipiu' importanti●  Un anno di vantaggio●  Sistema  Stereoscopico● Ottimo  programma Scientifico ● Una collaborazione di grande preparazione●  SERENDIPITY

Le prospettive di MAGIC  appaiono  OTTIME● “Meta' del cielo”  disponibile● Una  soglia di energia  inferiore (ancora sotto studio)   (molto importante per sorgenti extra­galattiche)● Potenziale  unico per la osservazione dei GRB

Richiesta della costruzione di un secondo Telescopio[1.4 Meuro,   (30% del costo)  per la parte italiana ]Referees e Commissione 2 approvano  scientificamente.

MAGIC

Richiesta di Construzione di un Secondo Telescopio

Osservazione “Stereo” con due telescopiAumenta la sensibilita' di un fattore 2.

[2 telescopi insieme valgono 4 separati]

Interesse a esserefortemente competitivisu una tecnica che appare molto promettente.

Osservazione “Stereo” con due telescopiAumenta la sensibilita' di un fattore 2.

[2 telescopi insieme valgono 4 separati]

Interesse a esserefortemente competitivisu una tecnica che appare molto promettente.

The community of the Cherenkov Telescopesis actively discussing the next stepsfor the technique:

Proposal soon to arrive on the table:

Array(s) of “many” telescopesJoint LOI (MAGIC/HESS + VERITAS)to ESFRI in preparations.

Linea di Ricerca che l'INFN dovrebbeseguire attentamente.

MORE DISTANT(but not too distant - few years)FUTURE

ARGO: TIBET

Prospettive per il rivelatore ARGO-YBJ

IDEA NATURALE ed ATTRAENTE :Osservare una gran parte del Cielocontinuamente con tecniche di“Extensive Air Shower” [Alta Quota : Tibet ](Sensibilita' inferiore ai telescopi Cherenkov, ma grande Apertura).

Successo della tecnica dipende da:

● Serendipity [0.2 Crab /anno : cosa c'e' nel cielo ?]

● Risoluzione Angolare● Rejezione degli Hadroni.

Verifica nei prossimi 2-3 annie rivalutazione delle prospettive[Possibili estensioni di ARGO da discutere ]

GAMMA ASTRONOMY

from SPACE

Compton  Gamma Ray   Observatory

1991­2000

EGRET  all  Sky   Map

271 Sources

Il FUTURO della Astronomia Gamma dallo Spazio

● AGILE : (2006 – 2008)

● GLAST : (2007 – 2012) (ed oltre)

AGILE E' una MISSIONE SCIENTIFICAsupportata dall'ASI con partecipazione scientificadell'INAF e dell'INFN (performances dell'ordine di EGRET)[Simultaneous X-ray detection 15-45 KeV]

Massa Totale del Satellite 350 Kg

Strumento Scientifico 120 Kg

Strumento Calibrato INFN-LNF-BTF (novembre 2005)P/L Qualification and final testing (dec 2005) Launch feb/mar 2006

e+ e–

γ

GLAST October 2005 LAT completed

February 2006 Delivery to the NRL

August 2007 Kennedy Space Flight Center

settembre 2007 LAUNCH

Miglioramento di Ordine di grandezza

GLAST:Potenziale ScientificoImportantissimo

CUORE di GLASTinteramente costruitoda fisici INFN

Dopo GLAST ?

Analisi dei risultati ottenutiRivalutazione della situazione scientifica

Presentate idee in commissione

GILDA [few MeV – 100 MeV] Russian-Italian telescope

X-ray polarimeter [Bellazzini, Costa]

TELESCOPI per

NEUTRINI di

ALTA ENERGIA

Concept of  a  High Energy NeutrinoTelescope 

Technique:Instrument a Large Volume of   Water/Icewith  Cherenkov Photon detectors  (PMT's)  to Detect   High Energy  Astrophysical  Neutrinos.

Size:Identification of the  dimension of aCubic Kilometeras a  “Sufficient Size”  for such  a detectorconsidering the  Expected  Fluxes 

Significato scientifico di: “Aprire una nuova finestra”

“Trovare un nuovo “Messaggero”

per la osservazione dell'Universo

viene considerato di Grande Importanza.

Estensione della Lunghezza Onda delle OSSERVAZIONI

Estensione del TIPO di PARTICELLA messaggera

● Sforzo  tecnologico , finanziario      [e umano ]   importante

● Esistono  elementi di  rischio  scientifico   (risultato  marginale)   [Come  e' naturale  per una ricerca     di  frontiera ed esplorativa]

● Contesto di  Competizione Internazionale   (Progetto  ICECUBE al Polo Sud)

The ICE­CUBE  project  has been funded

January 2004  the US Congress has approvedthe NSF   budget including  the full ICE­Cube

(funding  approved in Belgium, Germany and  Sweden)

[Several  Reviews, in the US  and Internationally have considered the project as highly interesting]

Deployment in  6 years Nominally: End in January 2010.

ICECUBENeutrino Telescope  

ICECUBE80   strings(distance 125  meters)

60  PhotoMultipliers per string      (17 m separation)

Total : 4800  PMT's

IceCube strings    IceTop tanks4 8 Jan 200516 32 Jan 200632 64 Jan 200750 100 Jan 200868 136 Jan 200980 160  Jan 2010

One String deployed in 2005

IceCube strings    IceTop tanks4 8 Jan 200516 32 Jan 200632 64 Jan 200750 100 Jan 200868 136 Jan 200980 160  Jan 2010

Deployment   ofthe  strings

AMANDA AMANDA II II

µ-event in µ-event in IceCubeIceCube

Estimate of the Muon Energyfrom the Amount of e.m. radiationthat accompany the particle

AMANDA  

ReconstructedNeutrino Spectrum 

No evidence forAstrophysical Neutrinos

α

3369 eventsbelow horizon

AMANDA   Up­Going Muons Map   

No evidence for Astrophysical Neutrinos

“Most Likely”   Event Rate   from Extra­Galactic Sources of Neutrinos

   50 /year 

One order of Magnitude  Uncertainty  500 /year  : Upper Limit  from Amanda                                                             (sensitivity) 5/year        : Lower Limit (?) 

Halzen(NOW­2004)

Estimate of the  Neutrino Fluxes:

● Connection   between       OBSERVED     Extra­Galactic    COSMIC RAY FLUX

   NEUTRINOS

● Estimate  of  Flux  from Possible   Classes of Sources (AGN/GRB)  

 Waxman [Neutrino 2002 ]:GRB :  20 events/Year  in Km3 

4100m

2400m

3400m

A N T A R E S N E M O N E ST O R

Progetti nelProgetti nelMediterraneoMediterraneo

 InfrastrutturaSottomarinaa Capo Passero

Finanziata dall'INFN

Energico Programmadi Design Studydiretto dai LNS

Mediterranean Latitude = (43o North)

South Pole Detector

North vs  South  celestial  Hemisphere

South  Celestial  Hemisphere(observed from the Norther part of the Earth)   Contains  the    Galactic Center  (detected at TeV Energies) a larger  number of Galactic Source Candidates.

One  Galactic source:  RX1713.7­3946    very likely   atat 5­10  events / year

ICE    versus  WATER

Advantages   ICE          No  Radioactivity  40K      No bioluminescence      No sedimentation          

    Longer Absorption Length      (but More Scattering)

      

Advantages   WATER          Detector recoverable     (reconfiguration possible)            Larger  Depth possible                Less   Scattering Length       (but more absorption)       L

abs �   70 m

    L

abs  �   100  m

Leff­scat   �   20  m  Lscat  

 > 100  m

Scienza di GRANDE RILIEVO.

● Verifica della fattibilita' tecnica

● Costruzione di una robusta Collaborazione Internazionale

● Completamento del Design Study KM3NET approvato dalla UE che include i tre programmi nel Mediterraneo. Definizione del SITO

● Valutazione dei tempi di deployment + competizione

DECISIONE IMPORTANTE e DELICATA

PARTICELLE CARICHE

(RAGGI COSMICI)

E = 1019 eV

Cosmic RaySpectrum

Problema chiave :

RAGGI COSMICI alle ENERGIE piu' ELEVATE

Strumento per risolvere il problema

Pierre AUGER OBSERVATORY

Spettro di EnergiaComposizioneDistribuzione Angolare

GZK suppression

>1000 detector stations deployed

3 fluorescence building completeeach with 6 telescopes

1600 detector stations

1.5 km spacing

3000 km2

 4 Telescope enclosures

6 Telescopes per enclosure

24 Telescopes total

Same

Comparisonto other data

Form:

Flux * E3

Tra due anni AUGER dovrebbe avere 7-9 volte laesposizione di AGASA.

In posizione di chiarire la struttura dello spettro dei Raggi Cosmici alle Energie piu' elevate.

Estensioni di AUGER dipendono dai risultati.Possibili sviluppi :

AUGER NORTH (All Sky Coverage)

“INFILLING” (Lower Threshold)

LOWER ENERGY COSMIC RAYS

Measurements with detectors

on

BALLOONS and

SATELLITES

● Perspectives for Pamela, AMS

● Long Duration Bvallon Flights

PAMELA

Launch mar. 2006 from Baikonur

IMPORTANT INVESTMENTIMPORTANT SCIENCE

Very Desirable to see it in ORBIT

16 dec 2004 - 27 jan 2005CREAM detectorPotential ofLong Duration Balloon Flights

CREAM 2 : Launch in Dec 2005

Cream Event

Astrofisica delle Alte Energie● Campo di ricerca Dinamico. Sorprese continue Molte diverse Classi di Sorgenti ● Sorgenti Astrofisiche : Oggetti di Interesse “Fondamentale”

● Potenziale per Ricerca per la MATERIA OSCURA

● Fenomenologia di Quantum Gravity (violazioni principi di conservazione)

CAMPO DI GRANDE INTERESSE SCIENTIFICO

Merita un IMPEGNO IMPORTANTE da parte dell' INFN