La Fisica Astro-Particellare

Alessandro PetroliniAlessandro Petrolini

La Fisica Astro-Particellare

• La fisica AstroParticellare sta al confine tra:AstroFisica e Fisica delle Particelle Elementari.

• Studia problemi tipicamente di Astrofisica con tecniche di Fisica delle Particelle.

• È un campo tipicamente interdisciplinare:– Astrofisica e cosmologia;– Fisica delle interazioni fondamentali;– Fisica delle particelle;– Fisica nucleare;– Scienza dello spazio.

• Esperimenti passivi !• Campo complementare ad astronomia e astrofisica.• Sono stati osservati raggi cosmici

con l’energia di una palla da tennis.

Le principali domande

Astroparticle physics studies astrophysical phenomena which provide aninsight into fundamental physics and deals with fundamental physics whichis relevant to our understanding of astrophysical phenomena as well as the

structure and development of the universe.

• Where is the origin of cosmic accelerators for particles of the highest energy of over 100 EeV?

• Are there particles which are relics of the big bang? • Is there antimatter in the universe? • What is the maximum energy of TeV photons? What is the exact spectrum,

where are the sources and what is the generation mechanism? • What do we learn from the neutrino sources in the universe? • What role do neutrinos play in the origin of the universe? What is their

mass? • What is the nature of dark energy and dark matter? • Are there additional spatial dimensions? • Did Einstein have the last word with regard to gravitation? • Are there new states of matter with maximum density and temperature? • To what dimensions do well-known natural laws such as quantum

electrodynamics apply? • How were the elements from iron to uranium "made"?

Lo sviluppo delle conoscenze scientifiche

Sviluppi tecnologici nuove tecniche di indagine/osservazione

nuove scoperte nuovi fenomeni da interpretare e problemi da risolvere.

MODELLO

PREVISIONIPROGETTO

ESPERIMENTO

OSSERVAZIONIMISURE

Crab Nebula: pulsar residuo di Supernova

I diversi colori indicano diversi processi fisici in azione. Una supernova rimette in circolazione nello spazio interstellare la materia della stella morente.Le supernovae sone le sorgenti dei raggi cosmici di media energia.

Vedere le COSE

• È sempre una interazione: radiazione – oggetto – rivelatore.– Sorgente (produce un qualche tipo di radiazione);– Interazione con l’oggetto (se diverso dalla sorgente):

la radiazione acquista un segno dell’interazione,cioè delle proprietà dell’oggetto;

– Rivelatore, rivela la radiazione, che trasporta informazioni della sorgente e dell’oggetto.

• Ci sono diversi modi di vedere un oggetto !

Luce Visibile (Radiazione EM)

• Vedo, tipicamente, solo la superficie di un oggetto(tranne che per oggetti trasparenti, che sono pochi).

I raggi X (Radiazione EM)

• Per osservare l’interno di un oggetto serve una radiazione penetranteche attraversi l’oggetto, ne catturi alcune caratteristiche e ne porti l’informazione ad un osservatore.

Onde Radio e Interferometria

• Consiste di 27 radio-telescopi di 25 m di diametro.

• Sono installati su rotaie, e possono coprire una zona fino a 35 km.• È un interferometro, può risolvere una sorgente radio grande come una

palla da golf a 150 km di distanza.• È usato anche per ricevere trasmissioni radio da sonde spaziali.

Vedere con UltraSuoni (onde acustiche)

Tomografia con onde sismiche

Dark Matter: vedere l’invisibile

Dark Matter: candidati

Lo spettro delle onde ElettroMagnetiche

Astronomia EM: radio/IR/microonde/visibile/UV/X/gamma

• L’osservazione delle onde elettromagnetiche in diverse lunghezze d’onda fornisce informazioni diverse (diverse sorgenti e interazioni).

• Osservazioni possibili da Terra: luce visibile e onde radio: altre bande assorbite dall’atmosfera.

• Occorre andare ad alta quota oppure nello spazio per ridurre o eliminare l’effetto dell’atmosfera.

Osservazione onde ElettroMagnetiche

Il piano galattico in diverse lunghezze d’onda

Esperimenti per Raggi Gamma

Raggi gamma di alta energia

Gamma Ray bursts

• Sono stati scoperti per caso da satelliti militari attorno al 1970.• Si osservano brevi e intensi lampi di radiazione gamma.• La sorgente di energia è compatta, qualche decina di km.• L’energia liberata è enorme.• Si ipotizzano due possibili modelli

– Hypernova: esplosione di stelle di massa circa 30MS

– Fusione di due oggetti compatti: buco nero, stella di neutroni o nana bianca

Non solo radiazioni ElettroMagnetiche

• Le onde Elettromagnetiche sono prodotte da fenomeni EMe interagiscono con gli oggetti attraverso interazioni EM solo informazioni EM su sorgente e oggetto.

• Ma esistono altre interazioni fondamentali:– Gravitazionale;– Debole;– Forte.

• Servono altre sonde !– Onde gravitazionali (gravitoni);– Leptoni (incluso neutrini);– Adroni (protoni, neutroni, nuclei).

• Alcuni di questi messaggeri non raggiungono la superficie terrestre…L’ambiente spaziale circum-terreste (atmosfera, campo magnetico) protegge la Terra.

Campo magnetico terrestre

• Le fasce di Van Allen

Aurora boreale (northern lights) Raggi Cosmici di bassa energia dal Sole

Forze, interazioni, mediatori…

Interazioni Gravitazionali

• Luce che risente di (interagisce con) un campo gravitazionale.

Onde Gravitazionali

Onde gravitazionali : Campi gravitazionali statici =

Onde ElettroMagnetiche : Campi EM statici

The cosmic ray spectrum stretches over some 12 orders of magnitude in energy and some 30 orders of magnitude in differential flux.

Non-Thermal spectrum

many Joules in one particle!

Spettro dei Raggi Cosmici

I Raggi Cosmici investono la Terra

Rivelazione dei Raggi Cosmici

Sciami Atmosferici Giganti

Rivelazione di Sciami Atmsferici

Osservazione da pallone (Antartide)

Rivelazione diretta Raggi Cosmici da spazio

Messaggeri da distante

• I neutrini sono le particelle stabili più penetranti.

• Portano informazioni attraverso regioni opache ad altri tipi di radiazione.

• Per la stessa ragione sono difficile da rivelare.

Esperimenti Under-Sea

Vedere all’interno delle stelle

• Le stelle producono radiazioni/particelle di molti tipi.

• Per vedere all’interno delle stelle occorre studiare, tra le radiazioni/particelle, prodotte dalle stelle, quelle più penetranti: i neutrini.

• Oppure: studio delle onde acustiche attraverso la elio-sismologia.

Fisica UnderGround

• Se si deve rivelare una radiazione molto penetranteoccorre schermare le altre radiazioni!

Rivelazione di neutrini solari

Interazione di neutrini con la Luna

• High energy cosmic-ray neutrinos graze the Moon from behind. In the lunar soil charged particles, created by interactions between atoms in the soil and the neutrino, can actually move faster than light in the soil. This causes the particles to emit Cerenkov radiation in the microwave portion of the electromagnetic spectrum. Cascades of this radiation can be detected with radio telescopes on Earth.

AstroFisica Nucleare a Terra

• Riproduzione e studio a Terra (…sotto Terra) di reazioni di interesse astrofisico.

• Esempio: misura delle sezioni d’urto dei più importanti processi di fusione della catena protone-protone e del ciclo CNO alle energie rilevanti per la fisica solare.

La storia dell’Universo

Il quadro attuale

Il quadro attuale

Il quadro attuale

Conclusione

• La fisica astroparticellare è un settore che sta vivendo una grande espansione.

• Ha permesso di osservare l’universo con nuovi occhi !• Vari sviluppi sperimentali e tecnologici

hanno permesso in anni recenti:– molte scoperte;– possibilità di indagine in settori prima inaccessibili.

• Gli sviluppi della fisica teorica forniscono le basi per l’interpretazione delle osservazioni e lo sviluppo di modelli dei fenomeni cosmici.

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