Auger: un occhio gigante sui
misteri dell’Universo
Michelangelo Ambrosio - INFN Sezione di Napoli
Scuola di Otranto - Settembre 2012
Ringraziamenti
Questo terzo talk riporta i risultati ottenuti finora dalla collaborazione Auger.
Essi sono quindi il frutto del lavoro di circa 400 fisici che da circa 20 anni sono
impegnati nella progettazione, costruzione, messa a punto e gestione del più
grande apparato del mondo.
3.000 km2 sono una estensione di terreno più grande delle provincie di Napoli e
Caserta messe insieme. Nell’analisi dei dati si deve addirittura tenere conto della
curvatura terrestre.
Le trasparenze che seguono sono tratte da talk ufficiali. In alcune di esse
compare il nome dell’autore. La maggior parte delle trasparenze senza nome
sono state attinte da varie presentazioni, principalmente quelle di Lorenzo
Perrone, Università di Lecce, che ringrazio per la sua collaborazione.
Michelangelo Ambrosio
XXIV Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Subnucleare - Otranto, 21-27 Sept. 2012
Perchè studiare i raggi cosmici ?
I raggi
cosmici
primari
costituisc
ono
l’unico
campione
diretto
della
materia
esistente
al di fuori
del
sistema
solare
Perchè studiare i raggi cosmici di
energia estrema ?
Perché sono un mistero
(origine, composizione, accelerazione, propagazione, energia)
Perchè potrebbero rivoluzionare l’astrofisica, e non solo
(modelli teorici non definitivi, anzi in crisi a queste energie)
Perchè forniscono un potente strumento di indagine scientifico
(energie in gioco difficilmente raggiungibili con acceleratori).
Nemmeno il grande acceleratore superconduttore LHC con il suo limite di
~14 TeV (1016 eV) può competere con i Raggi Cosmici più energetici!
Perché sono una sonda dei fenomeni più violenti presenti nell’Universo
(AGN, collassi stellari, fusione di galassie, buchi neri, etc.)
Perché probabilmente provengono dall’esterno della nostra galassia e sono
quindi i messaggeri dell’Universo Esterno.
Questioni aperte
Le discrepanze tra Hires e AGASA sono dovute a:
1. Errori sperimentali (bassa statistica)?
2. Sistematiche sperimentali?
3. Diversa stima dell’energia (fluorescenza vs array)?
4. Diversa valutazione dei Montecarli?
5. Influenza della componente muonica superiore alle attese?
Soluzione:
Un apparato ibrido che rivelasse gli stessi eventi contemporaneamente con le due
tecniche e abbastanza grande da cumulare in poco tempo alta statistica.
AUGER
Spettro 2011
SD energy spectrum
Spettro di energia FD + SD
Chiara
evidenza del
Cut-Off
Il modello
GZK è reale
e limita
l’energia dei
raggi
cosmici
rivelabili!
Transizione galattico-extragalattico
Transizione a E ~ 1017.5 EeV
GZK
Gli UHECR consentono di tracciare una mappa delle loro sorgenti perché la loro
energia è tale che non subiscono deviazioni importanti per effetto dei campi
magnetici galattici e intergalattici.
Più alta è la loro energia minore è la deviazione e maggiore è il cammino che
possono fare senza deviazioni significative.
L’interazione con la radiazione di fondo degrada l’energia e pone un limite severo
all’osservazione, per cui il limite GZK si traduce in limite alla distanza in cui le
sorgenti possono essere osservate.
Alle sorgenti degli UHECR si può risalire osservando eventuali anisotropie
rispetto alla distribuzione uniforme delle direzioni di arrivo di questi raggi
cosmici.
Mappa del cielo visto da Auger
Direzioni di arrivo di eventi con E0 > 5.7 EeV
Una delle sorgenti: Centaurus A
Risultati
Auger main anisotropy result
■ Highest energy cosmic rays have
an anisotropic distribution!
■ First evidence that cosmic-ray
astronomy is indeed possible!
■ Correlation with the most nearby
AGNs in the 12° Véron-Cetty/Véron
catalogue
■ Opening of a new era:
• Study of particle acceleration
in high-energy astrophysical
sources
• Multi-messenger study of
sources
• High-energy physics!
Il PUZZLE della composizione degli
UHECR
All’aumentare dell’energia la massa diventa piu’
pesante!
Confronti con altri esperimenti
come è
possibile
che la
massa del
primario
aumenti
all’aumen
tare della
sua
energia?
Auger e HiRes non sono compatibili per E>1018.5 EeV. Invece Auger e TA sono compatibili
entro gli errori sperimentali
Misura della sezione d’urto p-aria
N indica la
frazione di eventi
che presentano
Xmax a bassa
quota.
Quindi
ragionevolmente si
tratta di protoni.
Cross section p-air and p-p
Neutron point sources
Photon initiated showers
Important because photons, not being deviated from galactic magnetic fields,
indicate stellar sources
Photon flux measurement
Neutrino detection
Important because neutrinos, not
being deviated from galactic
magnetic fields, indicate stellar
sources
Neutrino signature
The
neutrino
search is
based on
the
detection
of very
inclined
showers
(~80°)
coming
from Ande
mountains
Esempio di sciame orizzontale
31 tank
coinvolte!
Neutrino flux limit
SD Auger enhancement: INFILL
FD Auger enhancement: HEAT
Futuro di AUGER
Auger ha risposto alle maggiori domande dell’astrofisica del nuovo secolo misurando il
flusso degli UHECR, dimostrando l’esistenza del cut-off del GZK, misurando la sezione
d’urto p-aria e pp a energie ben superiori a LHC, individuando negli AGN le sorgenti degli
UHECR e dando i limiti per i flussi di neutroni, gamma e neutrini, le uniche particelle non
deviate dai campi magnetici galattici.
Ma, come (fortunatamente) spesso accade nella fisica oltre che le risposte date
si trovano nuovi fenomeni che indicano nuove vie.
Il puzzle dei mu
Il contenuto di mu stimato negli eventi di Auger non si accorda con
nessun Montecarlo. Può essere la causa della stima di una composizione
pesante?
Interazione adronica in EAS
• L’interpretazione e lo studio degli EAS sono
limitati dalle conoscenze delle interazioni
adroniche di alta energia:
– processi “soft” non calcolabili con QCD
perturbativa
– sezioni d’urto estrapolate ad energie più alte
di quelle raggiungibili agli acceleratori
– urti nucleone-aria, nucleo-aria (teoria di
Glauber)
• La regione cinematica di interesse (alta
pseudorapidità |η| >6) è caratterizzata da una
bassa molteplicità di particelle secondarie
prodotte e da un’alta energia ad esse trasferita, e
complementare alla regione osservabile ai
colliders
UHECR come il fascio di un acceleratore
I raggi cosmici sono particelle emesse da sorgenti galattiche o extragalattiche e
coprono uno spettro di energia che arriva fino a E0 > 1020 eV. L’Universo quindi, con
le sue sorgenti e i suoi campi magnetici, funziona come un acceleratore. L’atmosfera
terrestre funziona come un enorme calorimetro. Le particelle da rivelare come prodotti
secondari dell’interazione con l’aria sono elettroni e muoni. Finora gli array hanno
rivelato solo elettroni. E’ possibile rivelare anche i mu di uno sciame?
KURD: Cosmic rays as accelerator beam
Study of hadronic interactions
La nuova sfida di Auger
Prolungare la presa dati fino al 2025 installando nuovi rivelatori e adeguando
quelli esistenti per potere rivelare sia gli elettroni sia i mu.
Si vuole inoltre ricostruire lo sviluppo dello sciame in atmosfera sia degli elettroni
(fluorescenza) sia dei mu (Come?)
R&D in atto:
1. Rivelatori underground (scintillatori o RPC)
2. Estrapolazione del segnale dei mu dal segnale delle tank;
Per risalire all’altezza di produzione dei m lungo l’asse dello sciame si conta sulla
misura accurata dei tempi di arrivo dei mu rispetto a quello del fronte dello
sciame nel core.
Potenzialità delle nuove tecniche
Possibilità di stimare la massa del primario con grande accuratezza evento per evento!
Doppio cross-check su Xmax
Per distinguere tra protoni e ferro si avrebbe un altro potente strumento: il
confronto tra le Xmax della parte e.m. ricavato dalla fluorescenza e il
confronto tra gli Xmax ricavati dalla rivelazione dei m.
La scommessa
Auger spacing 1.5km
AMIGA project
• AMIGA (Auger Muons and
Infill for the Ground Array)
– Double graded SD infill
– Buried Muon counters
433m spacing 750m spacing
e ±, 
3m
µ
Il primo eclatante risultato di AMIGA
(Electron LDF)
(Muon LDF)
La prima
ricostruzio
ne di Xmmax
ottenuta
dai tempi
di arrivo
dei m nelle
tank!
Behind 2015
Auger quindi si avvia a diventare il più grande, ma anche il più completo e
complesso, apparato per la rivelazione di raggi cosmici di energia estrema.
Un gigantesco occhio
sull’Universo
Inoltre è diventato anche terreno di sperimentazione di
nuove tecniche di rivelazione degli UHECR
Auger: il primo osservatorio di
astroparticelle campo sperimentale
per nuove tecniche di rivelazione degli
UHECR
L’osservatorio Auger si avvia quindi a diventare lo strumento più completo mai
costruito per l’osservazione del profondo Universo.
La ricostruzione dei mu a terra e in atmosfera permetterà di definire evento per
evento massa ed energia.
La misura accurata della direzione di arrivo per E0 > 1019 eV permetterà di
individuare le sorgenti di tali oggetti creando una mappa del cielo e inaugurando
una nuova era: la telescopia astroparticellare.
Al contempo la vastità e complessità dell’apparato permette la sperimentazione
in situ di molte tecniche innovative di rivelazione degli UHECR
Grazie per la vostra attenzione!
Michelangelo Ambrosio - INFN – Sezione di Napoli - Italy