Origine e Vita dei Raggi Cosmici

Piergiorgio Picozza

Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare

A.A. 2011 - 2012

pe-

e+

antipNucleiantiN?other?other?

Dal Cielo arrivano

Electromagnetic radiation

Particles - charged

- neutral

radioIR

VisibleX

stableelementaryparticles cosmic

rays

Gravitational waves ??

Radiazione Elettromagnetica

Gamma, X, UV, Light, IR, Radio

Non viene influenzata dai Campi Elettrici e Magnetici

Dà informazioni sulla localizzazione delle sorgenti emittenti

Non dà informazioni su una eventuale esistenza di antimateria nel Cosmo

Il Cielo degli occhi

Ammassi di Galassie

Il Cielo dei Gamma

Raggi Cosmici

• Particelle cariche : protoni, antiprotoni, elettroni, positroni, nuclei , antinuclei (?), Altro (?)

• Risentono dei campi elettrici e magnetici

• Portano da distanze differenti un campione di materiale galattico ed extragalattico ed accelerato ad energie molto elevate.

I raggi cosmici

.

• I raggi cosmici sono una delle componenti principali della galassia. Infatti, la densità di energia dei raggi cosmici nella nostra galassia è di circa 1 eV/cm3, dello stesso ordine di grandezza della densità di energia del campo magnetico della galassia e dell’agitazione termica del gas interstellare.

• Come sono stati scoperti?

Tour Eiffel (Wulf, 1910) : 6 x 106 ions/m3 measured at ground3 x 106 ions/m3 expected at 80 m~ zero expected at 330 m3,5 x 106 ions/m3 measured at 330 m

Variation of the ionizzation with the altitude (Kolhörster, 1914): ionization difference in comparison to the ground (x 106 ions/m3 ) altitude (km)

0 0-1,5 1+1,2 2+4,2 3+8,8 4+16,9 5+28,7 6+44,2 7+61,3 8+80,4 9

N(h)=N0 e-h, ~10-3m-1 (for from radioC: ,~4,5x10-3m-1)

I Raggi cosmici

Il top dell’atmosfera terrestre viene investito da un flusso di particelle cariche e neutre di alta energia di origine extraterrestre Circa due particelle cariche per secondo (essenzialmente muoni) passano attraverso ogni centimetro della superficie terrestre.

0 m

~40 km

~500 km

~5 km

Top of atmosphere

Ground

Primary cosmic ray

Smaller detectors but long duration. PAMELA!

Large detectors but short duration. Atmospheric overburden ~5 g/cm2. Almost all data on cosmic antiparticles from here.

PARTICLE PHYSICS BIRTH WAS DUE TO COSMIC RAYS

Hesse, Wulf, Wilson, Anderson, Bothe, Kohlorster, Millikan,

Blackett, Skobeltsyn, Rochester, Butler, Rossi, Pancini ,

Conversi, Powell, Occhialini ……

Advent of accelerators

Abbondanze nei raggi cosmici

• Gli elementi Li, Be, B sono circa 105 volte più abbondanti nei raggi cosmici che nel sistema solare.

• Il rapporto 3He/4He è circa 300 volte più grande nei raggi cosmici.

• I nuclei molto pesanti sono più prevalenti nei raggi cosmici.

• I raggi cosmici attraversano alcuni (4-7) g/cm2 di materiale interstellare tra la sorgente ed il top dell’atmosfera terrestre subendo reazioni nucleari che rompono i nuclei più pesanti.

Ciclo di Vita dei Raggi Cosmici Galattici

Produzione

Accelerazione

Propagazione nel Mezzo Interstellare

Interazione nel Mezzo Interstellare

Fuga dalla Galassia

Confinamento dei raggi cosmici nelle galassie

Disco Galattico

Intensità media del campo magnetico galattico: 3G

Tempo di confinamento: ~ 10 milioni di anni

Galassia

1 parsec : 3.085 1016 m

1 anno luce: 0.3 parsec

1pc=3.1 x 1013 km1anno-luce=9.5 1012 km

Knee region 1015 10 16 eV

Il campo magnetico galattico è circa 3mG ed mediamente parallelo parallelo al braccio della spirale della galassia, con grandi fluttuazioni

30 kpc

300 pc

Protone da 5.1019 eV in un campo di 3G

Accelerazione dei Raggi Cosmici

Le esplosioni delle Supernove sono la sorgente dell’energia responsabile dell’accelerazione dei raggi cosmici di alta energia

Accelerazione alla nascita mediante lo shock iniziale

Accelerazione quando le onde di shock da supernovae incontrano il materiale interstellare

Red Giant

Esplosione di supernova

Supernovae Remnants

• When a high mass star (final mass greater than 1.4 solar masses) collapses at the end of its life a supernova occurs. An enormous shock wave sweeps through the star at high speed, blasting away the various layers into space, leaving a neutron core and an expanding shell of matter known as a supernova remnant. This ejection of matter is much more violent than occurs in the planetary nebulae that mark the end of a low mass star, giving expansion speeds of 1.0E3 -1.0E4 km/s. Near the core of the remnant, electrons emit radiation (synchrotron radiation) as they spiral at relativistic speeds in the magnetic field from the neutron star. The ultraviolet portion of this radiation can ionize the outer filaments of the nebula. In addition the ejected matter sweeps up surrounding gas and dust as it expands producing a shock wave that excites and ionizes the gas. This plasma may reach temperatures of 1.0E4 to 1.0E6 K, but with densities of only about 1.0E7 particles per meter^3.

The big question:

Do SNe produce cosmic-rays ???

V. Ginzburg, Syrovatskii, late 50’s, 1964

F. Hoyle (1960)

….

The SNR hypothesis

• wCR ~ 1 eV cm-3

• dECR/dt ~ V wCR / tesc ~ 3 x 1040 erg s-1

• PSNR,kinetic = 1051 erg / 30 years= 1042 erg s-1

• dECR/dt ~ 0.03 PSNR,kinetic

AccelerazioneTeoria di Fermi al primo ordine

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A NEUTRON STAR WITH A STRONG MAGNETIC FIELD:

FAST ROTATING PULSAR (P = 33 msec) L(spindown) = 5 1038 erg/s

Accelerazione dei raggi cosmici

• Pulsars and pulsar nebulae. Pulsars - rapidly rotating neutron stars left over, e.g., after a supernova explosion - exhibit large electric and magnetic fields and act like dynamos accelerating particles. The pulsar-generated outflow - the pulsar wind - interacts with the ambient medium, generating a shock region where particles are accelerated. Such objects will therefore exhibit a pulsed component of radiation - from the immediate vicinity of the pulsar - and an unpulsed component from the shock region and beyond. The Crab Nebula is one of the few known TeV emitters of this type, and the best-studied object.

e-

High Z[ENTICE, ECCO]

Isotopic

composition [ACE]

Solar Modulation

AntimatterDark Matter

[BESS, PAMELA, AMS]

Elemental Composition

[CREAM, ATIC, TRACER, NUCLEON,CALET, ACCESS?, INCA?,

Extreme Energy CR[AUGER, EUSO, TUS/KLYPVE, OWL??]

Alcune distanze fondamentali

Raggio solare: 696.000 km

Distanza Sole-Terra: 150.000.000 km

• (215 Raggi Solari) = 1 UA

Grandezza del sistema solare:150-200 UA

Raggio terrestre: 6380 km

Distanza terra luna: 384000 km (60 r.t.)

Orbite tipiche LEO: 300-600 km

Satelliti geostazionari: 36000 km