Raios Cósmicos de Energia Extrema. Mário Pimenta Lisboa, 11/2009

Transcrição

1 Raios Cósmicos de Energia Extrema Mário Pimenta Lisboa, 11/2009

2 Há cargas electricas no ar!!! Coulomb, As esferas descarregam-se... Finais do século XIX Radioactividade?

3 A radiação vem do Espaço!!! I Viktor Hess, 1912 Diversos vôos até 6 Km Dia/noite, eclipse,... ~ 600 m h Raios Cósmicos! (Milikan)

4 Cascatas de partículas # Pierre Auger, 1938 Coincidências d d Primeiras estimativas da energia das cascatas!

5 A Origem da física de partículas Positrão (Anderson, 1932) Antimatéria! (Dirac) g -> e + e - (Einstein) e + μ (Anderson,1937) Rossi, 1940: Tempo de vida do muão. Dilatação do tempo! π (Latter, 1947) Interacções fortes (Yukawa) Cloud Chamber picture Anos 50: K, Λ, Σ, Ξ, Ω...

6 Inúmeros desenvolvimentos até aos anos Aceleradores Física de partículas Raios Cósmicos Origem Aceleração Composição... Única fonte a energias muito altas!! Year of completion

7 Interacção na atmosfera / Terra γ p/núcleos ν

8 Cascatas na Atmosfera Extensive Air Showers (EAS) protões ev

9 Perfis logitudinais das EAS Gaisser N e = N max e X X max X 1 λ X λ λ max e X X λ 1 N e max E X max ln E Ferro 56 nucl(e/56) Menores flutuações Menor X max

10 Perfis transversais das EAS NKG (Nishimura, Kamata, Greisen) ρ(r) = c(s)n 2 s 2 s 4.5 e / r0 (r / r0 ) (1+ r / r0 ) r 0 : raio de Moliére s : idade da cascata EAS-TOP E~10 15 ev Distribuições de P t Difusão multipla de Coulomb

11 Interacções Electromagnéticas J. Knapp

12 Interacções Hadrónicas J. Knapp QCD Perturbativa Troca de Pomerões GRT

13 Standard Hadronic models (low pt) Minimum string configuration SIBYLL Ralph Engel QGSJET EPOS

14 Simulações Monte Carlo de EAS Interacções e.m. e fracas - bem conhecidas! Interacções hadrónicas - muitas incertezas! - região para a frente, pequenos p t, elevados s J.Knapp et al. Astrop. Physics 19 (2003) - parametros principais: σ in, k in, n mult Capacidade de cálulo - Sempre limitada - thinning estatístico E > ev códigos - CORSIKA, AIRES Acordo 20%

15 Detecção das cascatas Fluorescencia Electrões excitam as moléculas de N 2 Rádio? Cherenkov Partículas

16 Detectores de superfície (SD) v ~ c De (n i, t i ): A direcção O ponto de impacto A Energia

17 Direcção... diferenças temporais na detecção da frente da cascata zenith shower front α cδt α r sin( α) = c Δt r Δα < 8 o Δt <10 ns

18 Composição Identificação de muões: massa do primário! Kascade

19 Detectores de fluorescência Cascata de electrões na Atmosfera Excitação das moléculas de N 2 Emissão de luz de fluorescência (UV) O olho da mosca (Fly s Eye)

20 Detectores de fluorescencia (FD) A direcção O X max A Energia E Ne N (t) Fly s Eye E~3x10 20 ev Auger

21 Profundidade do máximo da cascata X max

22 Sistemáticos SD Dependem fortemente das simulações Monte Carlo do desenvolvimento das cascatas FD eficiência de conversão em luz, ε 10-5 Perfil Transverso Atmosfera T RH Pressão, poeiras, nuvens

23 O Espectro de energia F l u x o joelho α = dn de ? α E 10 E < < E E > < tornozelo Tevatron LHC N(E > E α α+ 1 0 ) = E de E 0 E 0 Energia (ev)

24 Uma visão antropomórfica

25 Energias muito altas (E > 5x10 19 ev) em 2005! ~ 30 acontecimentos em 40 anos

26 Escalas de energia ZeV (zeta) EeV (exa) PeV (peta) TeV (tera) GeV (giga) MeV (mega) KeV (kilo) ev Buracos negros / AGN Supernovas Aceleradores Massa do protão Reactores nucleares Raio X, TV Bateria

27 A degradação da energia Energia original... dos protões O mecanismo GZK p Δ N γ2.7k π Distância percorrida E p ev 1 λ = σ ρ pγ CMB 6 Mpc A nossa vizinhança no Universo

28 Aceleradores Large Hadron Collider Hillas-plot Pulsar E BR R 10 km, B 10 T E 10 TeV SNR Radio Galaxy Lobe GRB AGN

29 As trajectórias no campo magnético galáctico Protões - T.Stanev Astronomia com raios cósmicos E > ev! Uma oportunidade única para medir o campo magnético galáctico?

30 Física de Partículas E beam ev s TeV Secções eficazes p-ar, Perfis longitudinais e transversais acontecimentos exóticos? Física Hadrónica Física Nova ν Net-Baryon Mini. black.holes ν l l * q i W Excited leptons, LQ, q j Percolação Teste da invariância de Lorentz Dimensões Extra

31 O Observatório Pierre Auger Hemisfério Sul Area ~ 3000 km2 24 telescópios de fluorescência 1600 detectores de superfície 60 km Lisboa, Malargüe, Portugal Argentina 11 junho 2008

32 telescópio Los Leones LIDAR Torre de comunicação

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34 Detectores de Fluorescência (FD) Camera with 440 PMTs

35 Simulação FD (GEANT4)

36 Um acontecimento híbrido e estéreo!

37 O primeiro quadrupleto!!! 21 Maio 2007

38 A determinação da Energia VEM S(1000) ID Log (S 38 /VEM) Calibração SD/FD S(1000)/VEM S 38 (das CIC) Δ E 20% 665 golden hybrid Log (E FD /ev) 38 o cos 2 (θ)

39 O espectro de Energia PRL August 2008 Ajuste com E -γ γ = 2.69 ± 0.02 Exp. Observed > 4x ±9 75 > ±3 1 GZK cut off! γ = 4.0 ± 0.4

40 The Auger Sky above 60 EeV 27 events as of November events now (with Swift-BAT AGN density map) Simulated data sets based on isotropy (I) and Swift- BAT model (II) compared to data (black line/point). Aublin HE 0491 Log(Likelihood) Sommers 41 Lodz

41 Elongation curves from heavy to ligth and then from light to heavy??????

42 Shower Depths of Maximum X max Bellido, HE 0124 Anisotropy Anisot These suggest high cross section and high multiplicity at high energy. Heavy nuclei? Or protons interacting differently than expected? Information lacking for the (anisotropic) trans-gzk energy regime! (Crucial for calculation of the diffuse cosmogenic neutrino flux) Sommers 43 Lodz

43 Extensões em Auger Sul ( ) HEAT AMIGA scintillator SD Auger Muons and Infill for the Ground Array - > aceitância angular do FD - medição directa dos μ - < limiar de Energia ( ~ ev)

44 Auger Norte ( ?) Área total : km SD, 40 FD Exposição Colorado (USA) S+N 10 5 L Norte Sul 1 Linsley = 1 km2 sr yr

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