87966 - ASTROPARTICLE PHYSICS

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Istruzione di qualità La vita sulla terra

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course, the student will have knowledge of the experimental and phenomenological aspects of the origin, nature and propagation of charged cosmic rays and neutrinos and a basic knowledge of the nature of Dark Matter, Gravitational Waves and Cosmic Microwave Background and the related experimental detection techniques. In particular, the student will be able to understand the connection between astrophysics and particle physics.

Contenuti

1. Una panoramica sull’astrofisica Multimessenger. Che cos'è l'astrofisica "Multimessenger". Il ruolo dei rivelatori di particelle nella fisica delle astroparticelle. Complementarità tra astrofisica che usa la radiazione elettromagnetica tradizionale e astrofisica che usa nuove sonde (raggi cosmici carichi, raggi gamma, neutrini e onde gravitazionali). Prospettive del corso.

2. Raggi cosmici carichi nella nostra galassia. Breve storia sul rilevamento dei raggi cosmici (RC). Flusso di RC sulla Terra: particelle primarie e secondarie. Densità energetica di RC nella nostra galassia. Un Telescopio giocattolo per RC primari. Flussi differenziali e integrali. Spettro energetico di RC primari. Le proprietà fisiche della galassia. RC a bassa energia dal sole. Numero e densità di energia dei RC. Considerazioni energetiche sulle fonti di RC.

3. Rilevazione diretta di RC. Generalità su misurazioni dirette. Misura della carica, quantità di moto ed energia dei RC in arrivo. Esperimenti su pallone e satelliti. L'esperimento AMS-02 sulla Stazione Spaziale Internazionale. Abbondanza di elementi nel Sistema Solare e in RC. Spettro energetico di protoni e nuclei RC. Antimateria nella nostra galassia. La componente di elettroni e positroni nei RC.

4. Rilevazione indiretta di raggi cosmici. La struttura dell'atmosfera. La cascata elettromagnetica (EM): il modello di Heitler. Docce iniziate da protoni e nuclei. Le simulazioni di Monte Carlo. Rivelatori di Extensive Air Showers (EAS) all'energia del ginocchio: un modello giocattolo e alcuni esperimenti EAS reali. Il flusso RC misurato con gli array EAS. Composizione di massa di RC attorno al ginocchio.

5. Diffusione dei raggi cosmici nella galassia. La sovrabbondanza di Li, Be e B in RC; perché Li, Be, B sono rari sulla Terra; Produzione di Li, Be e B durante la propagazione. Nuclei radioattivi. Il modello Leaky Box. Dipendenza energetica dal tempo di fuga. Spettro energetico di RC alle sorgenti.

6. Acceleratori galattici e meccanismi di accelerazione. Meccanismi di accelerazione di Fermi. Specchi magnetici. Lo spettro energetico dal modello di Fermi. Accelerazione diffusiva diffusa in onde d'urto. Supernova Remnants (SNRs) e l'accelerazione del modello standard di RC. Massima energia raggiungibile nel modello SNR. L'indice spettrale dello spettro energetico. Nane bianche, stelle di neutroni e pulsar. Buchi neri di massa stellare. Possibili fonti galattiche di RC sopra il ginocchio: un modello semplificato.

7. Sorgenti extragalattiche e UHECR. La struttura su larga scala dell'universo. La legge di Hubble e la radiazione di fondo a microonde cosmica (CMBR). Anisotropia dei UHECR: i campi magnetici extragalattici. La ricerca di sorgenti extragalattiche di UHECR. Propagazione di UHECR. Rivelatori di luce fluorescente e fluorescenza. Misure UHECR con una sola tecnica. Grandi osservatori ibridi di UHECR e loro risultati sul flusso, direzioni di arrivo e composizione.

8. Il cielo visto nei raggi gamma. La distribuzione di energia spettrale (SED) e osservazioni a più lunghezze d'onda. Raggi gamma astrofisici: i modelli di produzione leptonica e adronica. Sorgenti galattiche e raggi gamma. Il lascito del Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO). Fermi-LAT e altri esperimenti per l'astronomia dei raggi gamma. Raggi gamma diffusi nel piano galattico. I cataloghi prodotti da Fermi-LAT. Gamma Ray Bursts (GRBs). Classificazione dei GRB.

9. L'astrofisica con raggi-gamma del TeV. The Imaging Cherenkov Technique (IACTs). Array EAS per gamma-astronomia. Astronomia nel TeV: il catalogo. La pulsar CRAB e la nebulosa. Il problema dell'identificazione delle fonti di RC galattiche. SED di alcuni SNR particolari. Galassie attive. Il cielo extragalattico a raggi gamma.

10. Astrofisica dei neutrini di alta energia. La connessione RC, raggi gamma e neutrini. Principio di rilevamento del neutrino. Fondo in rivelatori di neutrini di grande volume. Rivelatori di neutrini e telescopi per neutrini. Ricostruzione di tracce e docce indotte dai neutrini. Perché sono necessari telescopi di scala 1 km3? Rilevatori di neutrini. Risultati dai telescopi per neutrini. Le prime osservazioni di neutrini cosmici.

11. Muoni atmosferici e neutrini. Muoni sotterranei. Primi esperimenti per neutrini atmosferici. Oscillazioni di neutrini atmosferici. Misura delle oscillazioni atmosferiche dei neutroni dei muoni negli esperimenti sotterranei.

12. Fisica e astrofisica dei neutrini a bassa energia. Evoluzione stellare di stelle di massa solare. Il modello solare standard e neutrini. Rilevamento del Neutrino Solare: Homestake, Gallex / GNO, Sage, Super-Kamiokande, SNO, Borexino. Deficit del neutrino solare dovuto alle oscillazioni del neutrino. Formazione di elementi pesanti in stelle massicce. Stellae Novae. Core-Collapse Supernovae (Tipo II). Segnale del neutrino da un core-collapse SN. La SN1987A. Nucleosintesi stellare e origine degli elementi trans-Fe

13. Nozioni di base sulle osservazioni delle onde gravitazionali (GW). Da Einstein alle GW: una lunga storia fatta in breve. Energia trasportata da una GW. Il sistema a due corpi. Interferometri laser a terra. GW150914: informazioni fisiche da quantità osservate (deformazione, frequenza, variazione di frequenza). Astrofisica dei buchi neri stellari dopo GW150914. GW170817, GRB170817A e AT 2017gfo: un evento. La kilonova: Follow-up elettromagnetico di GW170817. Prospettive per la cosmologia osservativa dopo GW170817

14. Microcosmo e Macrocosmo. Il modello standard del Microcosmo: il Big Bang. Il modello standard della fisica delle particelle e oltre. Prove gravitazionali della materia oscura. Interazioni di WIMP con materia ordinaria. Rilevazione diretta di materia oscura: tassi di eventi. Ricerche dirette per WIMP. Ricerche indirette per WIMP. What’s next?

Testi/Bibliografia

Questa serie di lezioni ha dato origine a un libro pubblicato nel 2014 da Springer. Il contenuto delle lezioni per questo anno accademico segue rigorosamente la seconda edizione del libro (estate 2018), immediatamente disponibile per gli studenti in formato PDF.

Maurizio Spurio: PROBES OF MULTIMESSENGER ASTROPHYSICS : Charged cosmic rays, neutrinos, γ-rays and gravitational waves  

https://www.springer.com/la/book/9783319968537 ]- Springer DOI: 10.1007/978-3-319-96854-4

Gli studenti di indirizzo diverso da quello di Fisica Nucleare e Subnucleare debbono necessariamente avere pre-requisiti di conoscenza introduttive di fisica delle particelle, rivelazione e rivelatori di particelle. Sono raccomandati i capitoli introduttivi del libro:

Braibant, S., Giacomelli, G., Spurio, M. (2012): Particelle e interazioni fondamentali [https://www.springer.com/la/book/9788847027534]

 

Come lettura integrativa per gli studenti non di "Astrofisica e Cosmologia", è fortemente consigliato il seguente testo:

"An Introduction to Galaxies and Cosmology" (Edts. Mark H. Jones, Robert J. A. Lambourne, Stephen Serjeant). Cambridge University press

 

Metodi didattici

Lavagna tradizionale e proiezione con PC

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale.

Link ad altre eventuali informazioni

https://www.springer.com/la/book/9783319968537

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Maurizio Spurio