Tópicos em Astropartículas - Instituto de Física Teórica

Tópicos em Astropartículas
Rogério Rosenfeld
Instituto de Física Teórica/UNESP
Jornada de Física Teórica
IFT-UNESP 14/07/2008
O que é Física de Astropartículas?
A Física de Astropartículas é um campo
de pesquisa na interface entre Física de
Partículas Elementares, Astrofísica e Cosmologia.
O que é Física de Astropartículas?
Algumas perguntas que a Astropartículas está
tentando responder:
• Qual é a origem da matéria escura?
• Por quê o Universo está acelerando?
• Como detectar a matéria escura em laboratório?
• Por quê há mais matéria do que antianti-matéria no
Universo?
• Qual a origem dos raios cósmicos?
• Qual a origem dos elementos químicos?
• Detecção de neutrinos de altas energias.
• Detecção de ondas gravitacionais.
O que é Física de Astropartículas?
Astroparticle Physics publishes experimental and theoretical
research papers in the interacting fields of Cosmic Ray
Physics, Astronomy and Astrophysics, Cosmology and
Particle Physics focusing on new developments in the
following areas:
• HighHigh-energy cosmiccosmic-ray physics and astrophysics;
• Particle cosmology;
• Particle astrophysics;
• Related astrophysics: supernova, AGN, cosmic
abundances, dark matter etc.;
• HighHigh-energy, VHE and UHE gammagamma-ray astronomy;
• HighHigh- and lowlow-energy neutrino astronomy;
• Instrumentation and detector developments related to the
above--mentioned fields.
above
Tópico 1
Raios Cósmicos de Altíssimas Energias
Raios cósmicos são partículas que vêm do espaço e
incidem na atmosfera da Terra.
Raios Cósmicos: uma breve história
O fenômeno da radioatividade havia sido descoberto
pelo físico francês Henri Becquerel em 1896.
Placa fotográfica exposta à radiação de um
sal de urânio.
Foram construídos vários instrumentos capazes de
detectar radioatividade: estava presente em todos
lugares (montanhas, mar, etc.)
Raios Cósmicos: uma breve história
Raios cósmicos foram descobertos em 1912 pelo
físico austríaco Victor Hess. Recebeu o prêmio
Nobel em 1936.
Voando em um balão a uma altura de quase 6 km
ele mostrou que a radioatividade aumentava com a
altitude: existe fontes de radioatividade que vêm de
fora da Terra!
Eletroscópio descarregava
mais rapidamente quanto
mais alto estava o balão
Ar seco é um bom isolante. Portanto, um eletroscópio carregado permanece com
sua carga. Quando uma fonte de radioatividade se aproxima, o ar é ionizado e
passa a conduzir eletricidade. A carga do eletroscópio pode escapar e ele se
descarrega.
Raios Cósmicos: uma breve história
Em 1925 Robert Millikan introduziu o nome de raios
cósmicos a essa radiação vinda do espaço.
Raios Cósmicos: uma breve história
Como se pode “ver” raios cósmicos?
Câmara de nuvens: gás prestes a se condensar.
A passagem de uma partícula com carga elétrica
ioniza o gás, causando a condensação de pequenas
gotas ao longo da trajetória da partícula.
Raios Cósmicos: uma breve história
Câmara de nuvens (câmara de Wilson)
Raios Cósmicos: uma breve história
Novas partículas foram descobertas estudandoestudando-se
raios cósmicos:
Carl Anderson (1932)
Descoberta do positron
Por coincidência ganhou
prêmio Nobel junto com
Hess!
Raios Cósmicos: uma breve história
Novas partículas foram descobertas estudandoestudando-se
raios cósmicos: mésons p
Nature 159: 694-7, May 24, 1947
PROCESSES INVOLVING CHARGED MESONS
By DR. C. M. G. LATTES, H. MUIRHEAD,
DR. G. P. S. OCCHIALINI and
DR. C. F. POWELL
H. H. Wills Physical Laboratory, University of Bristol Chapas fotográficas
Chacaltaya, 5500 m, Bolívia
Cecil Powell alone was awarded the Nobel
Prize for Physics in 1950 for “his
development of the photographic method of
studying nuclear processes and his
discoveries regarding mesons made with
this method”.
1987
Raios Cósmicos: uma breve história
Raios cósmicos de altas energias colidindo com
moléculas de ar na atmosfera dão origem a chuveiros
de partículas que chegam até a superfície terrestre.
Pierre Auger
1938
Gleb Wataghin
1939
Mais de 1 milhão dessas partículas de chuveiros
atravessa você em 1 minuto!
Chuveiros extensos
de partículas
Gleb Wataghin
1939
Raios Cósmicos: uma breve história
Raios cósmicos podem penetrar paredes de chumbo
com mais de 1 metro de espessura e foram detectados
em lagos a profundezas de 500 m!
De onde vem os raios cósmicos?
Hess não detectou diferenças de intensidade entre
dia e noite ou durante um eclipse: não vem do Sol.
Raios Cósmicos de Altíssimas Energias
Raios cósmicos são partículas que vêm do espaço e
incidem na atmosfera da Terra.
Essas partículas possuem energias muito variadas.
Em física de partículas, a energia é medida em
unidades chamadas de elétron
elétron--volt (eV): energia
de um elétron submetido a uma diferença de
potencial de 1 volt. Muito pequena...
Energia
Fóton de luz visível
1 eV
Luz ultravioleta do Sol
Pode queimar sua pele
10 eV
Raios-X
RaiosPassa através de seu corpo
(pode causar câncer)
1000 eV = 1 keV
Raios gama
1012 eV = 1 TeV (Energia no LHC será de 14 TeV)
Raios cósmicos detectados
pelo experimento SPASESPASE-2
1015 eV = 1 PeV
Raios cósmicos detectados
no Observatório Pierre Auger
1020 eV = 100 EeV (energia de uma bola de futebol
depois de um bom chute)
103 eV = Kev = Kilo electron volt
1015 eV = PeV = Peta electron volt
106 eV = MeV = Mega electron volt
1018 eV =EeV = Exa electron volt
109 eV = GeV = Giga electron volt
1021 eV =ZeV = Zeta electron volt
1012 eV = TeV = Tera electron volt
Raios Cósmicos
Raios cósmicos são partículas que vêm do espaço e
incidem na atmosfera da Terra.
Perguntas que queremos responder:
• Fluxo
Fluxo:: quantas chegam até a Terra e com qual
energia?
• Origem
Origem:: de onde vem os raios cósmicos?
• Composição
Composição:: quais são essas partículas?
• Mecanismo de aceleração
aceleração:: como essas partículas
adquirem energias tão altas?
Fluxo de Raios Cósmicos
Quantos chegam até a Terra e com qual energia?
raios cósmicos de baixa energia
raios cósmicos de
altíssimas energias
Fluxo de Raios Cósmicos
Quantos chegam até a Terra e com qual energia?
Swordy 2001
Raios Cósmicos de Altíssimas Energias
Raios cósmicos de altíssimas energias (> 1019 eV
eV))
são extremamente raros: 1 evento por km2 por
século!!
Como estudar raios cósmicos de altíssimas energias?
Detector com uma grande área!
Observatório Pierre Auger: 3000 km2
Observatório Pierre Auger
O Projeto Auger foi proposto em 1992 por Jim Cronin e Alan Watson.
Atualmente, mais de 400 físicos de 90 instituições em 17 países fazem parte
da colaboração que está terminando de construir o Observatório Auger.
O custo total do Projeto é de U$50 milhões!
Brasil: 18 pesquisadores mais vários estudantes, póspós-docs e engenheiros.
Observatório Pierre Auger
Observatório Pierre Auger
Usa uma técnica híbrida:
1. detecta o chuveiro de partículas em tanques
2. detecta a luz florescente emitida durante o desenvolvimento
do chuveiro na atmosfera em “telescópios”.
telescópio
tanques
Observatório Pierre Auger
1600 tanques com espaçamento de 1,5 km.
12 toneladas de água pura
Observatório Pierre Auger
Observatório Auger tem 4 Telescópios.
Funcionam apenas em noites claras sem lua (10% das noites)!
Observatório Pierre Auger
Resultados Recentes do Observatório Auger
Fluxo de raios cósmicos de altíssimas energias
Observation of the suppression of the flux of cosmic rays above 4x10^19eV
Authors: The Pierre Auger Collaboration
(Submitted on 26 Jun 2008)
Abstract: The energy spectrum of cosmic rays above 2.5x10^18eV, derived from
20,000 events recorded at the Pierre Auger Observatory, is described. The spectral
index gamma of the flux, J ~ E^-gamma, at energies between 4x10^18eV and
4x10^19eV is 2.69+-0.02(stat)+-0.06(syst), steepening to 4.2+-0.4(stat)+-0.06(syst) at
higher energies, consistent with the prediction by Greisen and by Zatsepin and
Kuz'min.
Comments:
Cite as:
7 pages, 2 figues, accepted for publication in Physics Review Letters
arXiv:0806.4302v1 [astro-ph]
Resultados Recentes do Observatório Auger
Fluxo de raios cósmicos de altíssimas energias
Supressão de eventos com
energia maior que 4x1019 eV
Junho 2008
Resultados Recentes do Observatório Auger
Supressão de eventos com
energia maior que 4x1019 eV
G. Matthiae – Julho 2008
Resultados Recentes do Observatório Auger
Supressão do fluxo de raios cósmicos de altíssimas
energias: o corte de GZK (Greisen, Zatsepin e
Kuz'min).
O espaço cósmico não é vazio! Em particular, cada
cm3 do universo contem cerca de 400 fótons de
baixa energia(~ 10-4 eV, T~3 K), fósseis do Big Bang.
Resultados Recentes do Observatório Auger
O corte de GZK (Greisen, Zatsepin e Kuz'min).
Os raios cósmicos de altíssimas energias, se forem
formados de prótons, interagem com esses fótons e
rapidamente perdem energia!
O corte de GZK (Greisen, Zatsepin e Kuz'min).
Distância máxima de
propagação de prótons
de altas energias:
Resultados Recentes do Observatório Auger
Por muitos anos houve uma controvérsia sobre a
existência do corte GZK.
Os dados de 1 ano do Auger, junto com dados de
outro experimento HiRes, confirmam a existência do
corte GZK.
Origem dos Raios Cósmicos
De onde vem os raios cósmicos de altíssimas
energias?
Mesmo se fossem partículas com carga elétrica,
raios cósmicos de altíssimas energias são pouco
defletidos pelos campos magnéticos que existem no
Universo: sua direção de chegada corresponde à
posição da fonte emissora!
Origem dos Raios Cósmicos
Observatório Auger encontrou uma correlação entre a direção
de chegada dos raios cósmicos de altíssimas energias e a
posição de núcleos ativos de galáxias (AGN):
Novembro 2007
Origem dos Raios Cósmicos
Observatório Auger encontrou uma correlação entre a direção
de chegada dos raios cósmicos de altíssimas energias e a
posição de núcleos ativos de galáxias (AGN):
Origem dos Raios Cósmicos
Núcleos ativos de galáxias (AGN): o núcleo dessas galáxias
emite mais energia do que toda a galáxia! ImaginaImagina-se que a
fonte dessa energia seja um buraco negro supermassivo.
Ground Based and Hubble Space Telescope
images of the Active Galaxy NGC 4261
Composição dos Raios Cósmicos
Raios cósmicos são partículas que vêm do espaço e
incidem na atmosfera da Terra.
Quais são as essas partículas?
Candidatos usuais: prótons, núcleos pesados (ferro),
fótons??
Composição dos Raios Cósmicos
Cada um desses candidatos para ser a partícula primária dá
origem a chuveiros com características diferentes. Os
telescópios de flourescência são essenciais!
Composição dos Raios Cósmicos
Os dados apontam para uma composição intermediária entre
prótons e núcleos. Fótons estão descartados (infelizmente
(infelizmente...).
...).
Mecanismo de Aceleração dos Raios Cósmicos
Até energias de 1017 eV, acreditaacredita-se que os raios
cósmicos sejam gerados em grandes explosões
estelares denominadas supernovas.
É muito difícil imaginar mecanismos que acelerem
raios cósmicos a energias maiores de 1017 eV.
Ainda não é conhecido um mecanismo de aceleração e
extração de prótons ou núcleos atômicos de um AGN.
CONCLUSÕES
• Fluxo
Fluxo:: quantas chegam até a Terra e com qual
energia?
Fluxo medido. Existe o corte GZK em 4x10
4x1019 eV.
• Origem
Origem:: de onde vem os raios cósmicos?
A fonte de RCAE são provavelmente núcleos ativos
de galáxias.
• Composição
Composição:: quais são essas partículas?
Provavelmente uma mistura de prótons e núcleos
atômicos
• Mecanismo de aceleração
aceleração:: como essas partículas
adquirem energias tão altas? Não sabemos ainda…
Neutrinos no Auger
G. Matthiae – Julho 2008
Neutrinos no Auger
GZK Neutrino Production
p
E = 10 20 eV
γ
π＋
ν
＋
µ
Yoshida 2003
γ
＋
e
ν
p
n
E
~
0.8 x 10 20 eV
2.725 K
411 photons / cm3
Cross Section (mb)
0.6 x 10-27 cm2
0.1
γ+ p→Δ（1232）
→ πo p or π+ n
0.01
Gamma Beam Energy (GeV)
Conventional Mechanism of EHE neutrinos!!
ICECUBE
astro-ph/0512604