la fisica astroparticellare -...
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La Fisica Astroparticellare
1Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
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Alcune domande “fondamentali”
• Perché la materia ha vinto, tanto tempo, fa la sua battaglia sull’anti-materia?
• Che cos’è la materia oscura che costituisce oltre il 90% della materia cosmica?
• Come funziona e come muore una stella ?
• E’ vero che i neutrini si trasformano nel loro viaggio nello spazio?
• Quali sono le sorgenti dei raggi cosmici?
2Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
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L’acceleratore Cosmico
3
Il fascio dell’acceleratore cosmico funziona 7/7, 24/24, damiliardi di anni
32 ordinidigrandezzain flusso
13 ordini di grandezza in energia
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DOVE?
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 4
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I Laboratori Nazionali dell’INFN al Gran Sasso
5Laurea Magistrale in Fisica -
Curriculum Nucleare e Subnucleare
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Fisica delle particelle
Astrofisica Cosmologia
n
Il neutrino : elemento nodale
6Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
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Come muore una stella
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 7
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SanduleakSanduleak --69 20269 202
Large Large MagellanicMagellanic Cloud Cloud
Distance 50 kpcDistance 50 kpc
(170.000 light years)(170.000 light years)
Tarantula NebulaTarantula Nebula
Supernova 1987ASupernova 1987A
23 23 FebbraioFebbraio 19871987
21/4/2010 8Laurea Magistrale in Fisica -Curriculum Nucleare e
Subnucleare
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Laurea Magistrale in Fisica -Curriculum Nucleare e
Subnucleare
9
Energia e tempo deineutrini rivelati da 3 esperimenti inoccasione dellaSN1987A
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Rivelazione di Neutrini da Supernova
con LVD @ LNGSne ne
nmnmnt nt
99% dell’energia disponibile (EB ~ 10
53 erg) è emessa sotto forma di neutrini
10Laurea Magistrale in Fisica -Curriculum Nucleare e
Subnucleare
LVD a Bologna:Prof. Gabriella Sartorelli ([email protected])
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tre “famiglie”
Quarks
bs
c
d
u t
tre neutrini
Leptonit
nmm
nee
nt
- Può il neutrino di una famiglia viaggiando nello spazio trasformarsi in quello di un’altra famiglia?
nm nt
11
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M.C. Escher, Metamorphose III (1967-68), parte di una xilografia di
Possono cambiare identità: “oscillazioni” di
neutrino”
Un effetto di Meccanica Quantistica che si verifica se mn > 0La sorgente
produce
nmmiscuglio din1, n2 e n3
L’esperimento talvolta
vedead esempio
ntmiscuglio
“diverso” da nm
La propagazione di n1, n2 e n3
dipende dalla loro massa
Se mn > 0 il miscuglio cambia
Il “mescolamento” dei neutrini
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13
GPS
Tflight = 2.44 msec
730 km
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare
CERN
LNGS
Super Module Super Module
11Super Module 2Super Module 2
νννν
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OPERA
ai Laboratori del Gran Sasso
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 4
Contatti per OPERA a Bolognadr. Laura Patrizii ([email protected])dr. M. Sioli ([email protected])
Pb
Emulsion layers
;
;
1 mm
;-
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Neutrino Experiment with SpectrometerS in Europe
SPECTROMETER(S) Prospects for a New
Neutrino CERN-PS Experiment:
15Luca Stanco - CdS Padova
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Spectrometer
The Target coveragemust be as large as possible
FAR site
* Liquid Argon is the best optionas for- backgrounds- energy range- full measure of n interaction
16Luca Stanco - CdS Padova
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Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 17
Decadimento beta
Decadimento doppio β
n ¹ n (Dirac) o n = n (Majorana)
- E’ il neutrino l’antiparticella di se stesso?
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Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 18
CUORE BolognaContatti
dr. S. [email protected]
740 kg di TeO740 kg di TeO22
200 kg di 200 kg di 130130TeTe
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La soluzione di questo mistero può modificare profondamente la nostra visione dell’Universo e avere un forte impatto sul Modello Standard del mondo subatomico
Il Lato Oscuro dell’Universo
Materia Oscura25%
Energia Oscura70%
H ed He liberi4%
Stelle0,5%
Neutrini0,3%
Elementi pesanti0,03% Non
conosciamo di cosa è fatto il
95% dell’Universo!
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“Evidenza” della materia oscura…
Velocita’ di rotazione delle galassie a spirale
“Ricerca” della materia oscura…
Ipotesi corrente: esistono particelle non ancora scoperte che interagiscono debolmente con la materia ordinaria.
Forse è possibile rivelarle attraverso il loro urto con gli atomi dellamateria ordinaria, ma ci vuole un rivelatore molto sensibile e riparato dal “rumore di fondo” della radioattività naturale
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tecnica “doppia fase” con Xenon liquido
Il rivelatore XENON100 èin presa dati al Gran Sasso
l’esperimento XENON al Gran Sasso
XENON a BolognaProf. G. Sartorelli([email protected])
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Xenon1T in progetto,
in costruzione
dall’autunno 2012
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21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica -
Curriculum Nucleare e Subnucleare
The future: XENON1T
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LL’’AstronomiaAstronomia con con NeutriniNeutrini
nn EE’’ un campo di un campo di ricercaricerca molto molto recenterecente e molto e molto
promettentepromettente. ( . ( ricercaricerca di di sorgentisorgenti deidei RaggiRaggi
CosmiciCosmici))
p
;n
;
Fotoni: interagiscono con la materia e la radiazione
Protoni: (HE) interagiscono con la Radiazione cosmica di fondo (CMB) e sono deflessi da campi magnetici (se di bassa energia)
Neutroni: non sono stabili
Inconveniente dei “telescopi a neutrini:” sono necessari enormi rivelatori (~Gton)
21/4/2010 23
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© F. Montanet
• 12 lines• 25 storeys / line
• 3 PMTs / storey
• 900 PMTs
~70 m
100 m
350 m14.5 m
Submarine links
JunctionBox
40 km toshore
Anchor/line socket
2500m depth
Tipico “telescopio” marino: ANTARES (Costa Azzurra)
21/4/2010 24
Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum
Nucleare e Subnucleare
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•• Il neutrino Il neutrino èè rivelatorivelato attraversoattraverso la la luceluce emessaemessa al al passaggiopassaggio del del muonemuone prodottoprodotto nellnell’’interazioneinterazione del neutrinodel neutrino
un muone da 1.2 TeV che attraversa il rivelatore
LLL
Contatti ANTARES/NEMO a Bologna: dr. Annarita [email protected]
prof. Maurizio [email protected]
FUTURO : scala km3
Es. NEMO nel mar di Sicilia
Tipico “telescopio” marino: ANTARES ( nel mare della Costa Azzurra)
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26
Dov'è finita l'antimateria primordiale?
Quali sono i componenti della massa invisibile dell'universo?
…ed altro
Un esperimento sulla Stazione SpazialeInternazionale,
Maggio 2011
AMS02
Contatti AMS Bologna
Prof. Andrea [email protected]
Prof. Federico [email protected]
AMS
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Alcuni link utili
21/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica - Curriculum Nucleare e Subnucleare 27
Siti Ufficiali degli esperimenti menzionati
http://operaweb.lngs.infn.it/http://www.bo.infn.it/lvd/http://crio.mib.infn.it/wigmi/pages/cuore.phphttp://antares.in2p3.fr/http://nemoweb.lns.infn.it/http://xenon.astro.columbia.edu/http://www.ams02.org/
Fisica Astroparticellare su http://www.bo.infn.it/
E un sito divulgativo di riferimentoScienzaGiovane http://www.scienzagiovane.unibo.it/
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Ipotesi corrente: esistono particelle massive che interagiscono debolmente con la materia ordinaria
Rivelatori che vedano una interazione elastica di queste particelle con gli atomi che li costituiscono
I materiali sensibili ad es. sono gas nobili a bassissima temperaturaEsperimento XENON al Gran Sasso
Liquidi nobili, Xe, Ar, e Ne appaiono promettenti per la rivelazione delle WIMP
PMTs
Fiducial
volume
Shielding volume
g
g
g
W
W
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Le proprietà del neutrino
0carica elettrica
“debole”interazione con la materia
???n ¹ n (Dirac) o n = n(Majorana)
recenti scopertema ancora molto lavoro
da fare
piccolissima ma > 0 : ?massa
“mescolamento” abbastanza ben conosciuto: manca prova definitiva?
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Le Le sorgentisorgenti
AcceleratoriAcceleratori CosmiciCosmici
Big Bang Big Bang ((oggioggi 330 330 nn/cm/cm33))
ReattoriReattori NucleariNucleari
AcceleratoriAcceleratori di di particelleparticelle
AtmosferaAtmosfera TerrestreTerrestre
((RaggiRaggi CosmiciCosmici))
SoleSole
SupernovaeSupernovae((CollassoCollasso GravitazionaleGravitazionale))
CrostaCrosta TerrestreTerrestre
((RadioattivitRadioattivitàà naturalenaturale))
3021/4/2010 Laurea Magistrale in Fisica -Curriculum Nucleare e
Subnucleare