Κοσμικά σωματίδια υψηλών ενεργειών

Transcript

1 Κοσμικά σωματίδια υψηλών ενεργειών μια εισαγωγή στην Αστρο-Σωματιδιακή Φυσική Αναστάσιος Λιόλιος Αστεροσκοπείο, Α.Π.Θ. 20 Μαϊου 2008

2 ΙΟΝΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΑΠΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΩΝ ΚΟΣΜΙΚΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ ΑΠΛΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΣΚΟΠΙΟ: ο αέρας είναι πάντα ιονισμένος (τυπική τιμή ζεύγη ανά m 3 ) Η ύλη ιονίζεται από διερχόμενα ενεργειακά σωματίδια (ενίοτε υπάρχει και φθορισμός) γιατί συμβαίνει αυτό; Τα ενεργειακά σωματίδια χάνουν την ενέργειά τους μέσα στο υλικό, προκαλώντας ιονισμούς και διεγέρσεις στα άτομα του υλικού. π.χ. η ραδιενέργεια είναι αιτία ιονισμού του αέρα

3 ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΩΝ ΚΟΣΜΙΚΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ Hess (1912), αερόστατο, 5 km: μια διεισδυτική ακτινοβολία έρχεται από το διάστημα. Kohlorster (1912), αερόστατο, 9 km: επιβεβαίωση Wulf μετρήσεις στον πύργο Eifel (1910) Συμπέρασμα: υπάρχει μια ακόμη αιτία ιονισμού του αέρα (εκτός της φυσικής ραδιενέργειας του εδάφους). Millikan (1925): έδωσε το όνομα Cosmic Rays Anderson (1932): ανακάλυψη του ποζιτρονίου, του πρώτου σωματίου αντι-ύλης Compton (1933): φαινόμενο γεωγραφικού πλάτους. Anderson & Neddermeyer (1936): ανακάλυψη του μιονίου Auger (1938): εκτεταμένοι ατμοσφαιρικοί καταιγισμοί Powell (1947): ανακάλυψη του πιονίου Rochester & Butler (1947): ανακάλυψη του καονίου... Βραβείο Nobel (1936) στους Hess και Anderson

4 Τί είναι άμεσα αντιληπτό από τη βροχή των κοσμικών σωματιδίων; ΣΕΛΑΣ Φαινόμενο γνωστό και στους αρχαίους Έλληνες. Αριστοτέλης, Μετεωρολογικά: "Φαίνεται δε ποτέ συνιστάμενα - νύκτωρ αιθρίας ούσης - πολλά φάσματα εν τω ουρανώ...".

5 Σέλας Αιτία, ο βομβαρδισμός των υψηλών ατμοσφαιρικών στρωμάτων στην περιοχή των πόλων, από φορτισμένα σωματίδια (π.χ. ηλεκτρόνια), τα οποία διεγείρουν τα άτομα του Οξυγόνου και του Αζώτου του ατμοσφαιρικού αέρα.

6 Μαγνητική ακαμψία (magnetic rigidity) Μαγνητική ακαμψία ενός σωματιδίου είναι η ορμή του (η κάθετη προς το μαγνητικό πεδίο) διαιρεμένη με το φορτίο του: B r = p ze p = γ υ m0 όπου: Για Ε >> m 0 c 2 : B r = Για τα κοσμικά σωματιδία, η μαγνητική ακαμψία αποτελεί μέτρο της ικανότητάς τους να διαπερνούν το μαγνητικό πεδίο της γής. E cze Συνήθης μονάδα μέτρησης (για c= 1) το Giga-Volt: 1 GV = 1GeV/e. Για τον κάθε τόπο, συνήθως αναφέρεται το κατώφλι ακαμψίας (cutoff rigidity). Πειραματικά, προκύπτει ότι, το κατώφλι ακαμψίας στον ισημερινό είναι (για κατακόρυφη πρόσπτωση): 15 με 17 GV Στους πόλους είναι θεωρητικά μηδέν, πρακτικά ομως καθορίζεται από το πάχος του υλικού της ατμόσφαιρας, περίπου στα 0,4 GV

7 Σωματίδια από το διάστημα Προέλευση Ήλιος, από kev (ηλιακός άνεμος, CMEs) μέχρι GeV (εκλάμψεις) Γαλαξίας, μέχρι PeV (=10 15 ev) από SNR Εξωγαλαξιακές πηγές, άνω των ev (από AGN, GRB,??) Υπερσυμμετρικά σωματίδια, σενάρια top-down (αντί bottom-up) Ενέργεια φτάνει μέχρι ZeV = ev (για σύγκριση: σημερινοί επιταχυντές ~ 10 ΤeV = ev) Είδος Γυμνοί πυρήνες, κυρίως πρωτόνια (85 %) και He (12%), αλλά και Li, Be, B, C, N, O, Fe,. Επίσης ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, αντι-πρωτόνια, γάμμα, νετρίνα,

8 Φορτισμένα σωματίδια επιταχύνονται κατά μήκος των ανοικτών δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου

9 Ο ήλιος και το μαγνητικό πεδίο της γής Ο ηλιακός άνεμος παραμορφώνει τη μαγνητόσφαιρα της γής. ημιουργεί ένα κρουστικό μέτωπο προς την κατεύθυνση του ήλιου και μια μεγάλη ουρά προς την αντίθετη κατεύθυνση.

10 Ο μεταβλητός Ήλιος

11 Επηρεασμός της κοσμικής ακτινοβολίας από την ηλιακή δραστηριότητα Η αυξημένη ηλιακή δραστηριότητα οδηγεί σε: συμπίεση της γήινης μαγνητόσφαιρας, επομένως αύξηση φαινομένων στη Γή όπως οι μαγνητικές καταιγίδες και το πολικό σέλας. αύξηση του διαπλανητικού μαγνητικού πεδίου, επομένως καθιστά δυσκολότερη την άφιξη των γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων στη Γή. Έτσι, η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας που καταμετράται στη Γή είναι μειωμένη στο μέγιστο της ηλιακής δραστηριότητας (11-ετής αντισυσχετισμός).

12 Σωματίδια από το διάστημα Προέλευση Ήλιος, από kev (ηλιακός άνεμος, CMEs) μέχρι GeV (εκλάμψεις) Γαλαξίας, μέχρι PeV (=10 15 ev) από SNR Εξωγαλαξιακές πηγές, άνω των ev (από AGN, GRB,??) Υπερσυμμετρικά σωματίδια, σενάρια top-down (αντί bottom-up) Ενέργεια φτάνει μέχρι ZeV = ev (για σύγκριση: σημερινοί επιταχυντές ~ 10 ΤeV = ev) Είδος Γυμνοί πυρήνες, κυρίως πρωτόνια (85 %) και He (12%), αλλά και Li, Be, B, C, N, O, Fe,. Επίσης ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, αντι-πρωτόνια, γάμμα, νετρίνα,

13 Φάσμα των ηλιακών σωματιδίων

14 Φάσμα των κοσμικών ακτίνων Η ροή (αριθμός σωματιδίων ανά μονάδα επιφάνειας και μονάδα χρόνου) ακολουθεί εκθετικό νόμο: Φ(Ε) ~ Ε -3 (δηλαδή για δεκαπλασιασμό της ενέργειας, η ροή γίνεται 1000 φορές μικρότερη). Μικρή μεταβολή του εκθέτη στο γόνατο και στον αστράγαλο. Η περιοχή κάτω των 10 GeV διαμορφώνεται έντονα (ίσως και κατά μία τάξη μεγέθους) από την ηλιακή δραστηριότητα. Κύρια προέλευση, ο Γαλαξίας!

15 Ο Γαλαξίας, οι SN και τα SNR SN-1987A Από τον Γαλαξία προέρχεται η πλειονότητα των κοσμικών σωματιδίων (GCRs). Οι κοσμικοί επιταχυντές του Γαλαξία (για ενέργειες μέχρι ev) είναι: SuperNovae (SN) SuperNova Remnants (SNR). SNR-1054 (SuperNova Remnant)

16 Το υπόλειμμα του SN1054 Το Crab Nebula (νεφέλωμα Καρκίνος) είναι το πιο μελετημένο υπόλειμμα υπερκαινοφανούς. Πρόκειται για το διαστελλόμενο νέφος σκόρπιας ύλης, συνολικής μάζας όσο μερικές μάζες Ηλίου (m H kg protons), από την καταστροφική έκρηξη ενός μαζικού αστέρα που υπήρχε σε απόσταση 6,500 ετών φωτός, στον αστερισμό του Ταύρου. Το φώς της έκρηξης έφτασε στη Γή το έτος 1054 μ.χ. και η παρατήρησή του καταγράφηκε από τους Κινέζους αστρονόμους αφού είχε λαμπρότητα μεγαλύτερη από της Αφροδίτης. Ήταν ορατός στο πλήρες φώς της μέρας για ένα μήνα. Σήμερα το νέφος έχει έκταση περίπου 12 ly και παρατηρούμε ότι ακόμη διαστέλλεται (ταχύτητα 2000 km/s). Η συνολική ενέργεια που απελευθερώθηκε υπολογίζεται ότι είναι της τάξης των joule. Στο κέντρο του νέφους υπάρχει ένας pulsar περιόδου T = 33 ms. Ο pulsar είναι ένας ταχύτατα περιστρεφόμενος αστέρας νετρονίων ακτίνας 10 km και με μαγνητικά πεδία της τάξης των 10 8 Tesla. Η πάνω εικόνα ελήφθη στο ορατό από το ιαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble. Η κάτω εικόνα ελήφθη στις ακτίνες Χ από το Chandra X- ray Observatory. Στο ορατό φως Στις ακτίνες Χ

17 Επιτάχυνση των σωματιδίων Μηχανισμός Fermi (1949): τα γαλαξιακά κοσμικά σωματίδια επιταχύνονται στον μεσογαλαξιακό χώρο σαν αποτέλεσμα πολλαπλών συναντήσεών τους με μεγάλα κινούμενα μαγνητικά νέφη πλάσματος. Ο μηχανισμός παράγει με φυσικό τρόπο το ενεργειακό φάσμα κοσμικών σωματιδίων, με εκθετική μείωση της ροής τους με την ενέργεια. Μειονεκτήματα: ο εκθέτης εξαρτάται από τοπικά χαρακτηριστικά π.χ. ταχύτητα του νέφους, πιθανότητα συνάντησης των σωματιδίων με αυτό κ.λ.π. και έτσι δεν παράγεται ένας γενικός εκθετικός νόμος για όλα τα σωματίδια, όπου και αν επιταχύνονται. Ο μηχανισμός είναι, χρονικά, πολύ αργός στην επίτευξη μεγάλων ενεργειών. Ο μηχανισμός δεν μπορεί να ερμηνεύσει τις ενέργειες των παρατηρούμενων εξαιρετικά υψηλών ενεργειών κοσμικών σωματιδίων (UHE cosmic rays).

18 Μηχανισμός επιτάχυνσης 2 ης και 1 ης τάξης Πιο αποδοτικός αποδεικνύεται ο μηχανισμός επιτάχυνσης που θεωρεί κοσμικούς επιταχυντές τα ισχυρά κρουστικά μέτωπα που αναπτύσσονται π.χ. από τις εκρήξεις των SN (μηχανισμός 1 ης τάξης).

19 Διάδοση των GCRs στον Γαλαξία interstellar medium Moskalenko, Strong & Reimer (astro-ph/ ) Πού παράγονται επιταχύνονται οι μεγαλύτερης ενέργειας κοσμικές ακτίνες;

20 Σωματίδια από το διάστημα Προέλευση Ήλιος, από kev (ηλιακός άνεμος, CMEs) μέχρι GeV (εκλάμψεις) Γαλαξίας, μέχρι PeV (=10 15 ev) από SNR Εξωγαλαξιακές πηγές, άνω των ev (από AGN, GRB,??) Υπερσυμμετρικά σωματίδια, σενάρια top-down (αντί bottom-up) Ενέργεια φτάνει μέχρι ZeV = ev (για σύγκριση: σημερινοί επιταχυντές ~ 10 ΤeV = ev) Είδος Γυμνοί πυρήνες, κυρίως πρωτόνια (85 %) και He (12%), αλλά και Li, Be, B, C, N, O, Fe,. Επίσης ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, αντι-πρωτόνια, γάμμα, νετρίνα,

21 Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας, η Τοπική Ομάδα γαλαξιών και το Τοπικό Υπερσμήνος Ο μεγάλος γείτονας (M31) Απόσταση: 2 Mly ιάμετρος: ly Είναι ο μεγαλύτερος της Τοπικής Ομάδας Γαλαξιών η οποία περιλαμβάνει μερικές δεκάδες γαλαξίες, μέχρι την απόσταση των ~10 Mly. Ο Γαλαξίας μας (Milky Way) είναι ο δεύτερος σε μέγεθος της Ομάδας, με τρίτο τον γαλαξία του Τριγώνου (Triangulum galaxy). Η πρώτη πεντάδα συμπληρώνεται με τα δύο Νέφη του Μαγγελάνου. Σχεδόν όλοι οι υπόλοιποι γαλαξίες θεωρούνται νάνοι, αφού έχουν διάμετρο κάτω από ly. Η Τοπική Ομάδα ανήκει σε μια πολύ μεγαλύτερη συγκέντρωση γαλαξιών, το Υπερσμήνος της Παρθένου ή αλλιώς Τοπικό Υπερσμήνος, που περιλαμβάνει χιλιάδες γαλαξίες. ιάμετρος: 200 Mly, συνολική μάζα: M H.

22 Πυρήνες Ενεργών Γαλαξιών (Active Galactic Nuclei-AGN) Οι ενεργοί γαλαξίες έχουν μια συμπαγή περιοχή στο κέντρο τους, τον πυρήνα του ενεργού γαλαξία (AGN), που εκπέμπει έντονη ακτινοβολία και λαμπρότητα μεγαλύτερη από την λαμπρότητα όλου του υπόλοιπου γαλαξία και σε όλο το ΗΜ φάσμα (ραδιοκύματα, ορατό, υπεριώδες, ακτίνες Χ, ακτίνες γ μερικές φορές μέχρι ενέργειας TeV). Μπορεί να είναι εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές πιο φωτεινοί από έναν συνηθισμένο γαλαξία. Το τέρας ή κεντρική μηχανή των AGN θεωρείται ότι είναι μια μαύρη τρύπας μάζας μεγαλύτερης κατά πολλά εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές από τη μάζα του Ήλιου, που καταπίνει τη μάζα του γαλαξία καθώς αυτή έλκεται βαρυτικά, περιδυνούμενη προς έναν κεντρικό δίσκο συσσώρευσης. Στους ενεργούς γαλαξίες ανήκουν και τα quasars (quasi-stellar radio sources) που είναι έντονες πηγές ραδιοκυμάτων. Παρόλο που βρίσκονται στα όρια του ορατού σύμπαντος, οι πηγές αυτές λάμπουν σαν αστέρια του γαλαξία μας! Το quasar 3C 273, σε απόσταση 2x10 9 ly, έχει λαμπρότητα 100 φορές μεγαλύτερη από του Γαλαξία μας. Στην δεξιά εικόνα το φως του κέντρου έχει κοπεί για να φανεί το υπόλοιπο αντικείμενο.

23 Ο ενεργός γαλαξίας Centaurus A (NGC 5128) Η εικόνα αυτή στις ακτίνες Χ από το Chandra, αποκαλύπτει τη λαμπρή περιοχή του AGN και έναν πίδακα. Το κέντρο του γαλαξία Centaurus A είναι το πλησιέστερο σε μας AGN, σε απόσταση 11 εκατομμυρίων ετών φωτός. Το πείραμα Auger διαπίστωσε ότι, από τα πολύ υψηλής ενέργειας κοσμικά σωματίδια που μέτρησε, τα δύο προήλθαν από μια περιοχή εύρους 3 γύρω από αυτό το αντικείμενο. Η εικόνα στα ραδιοκύματα που προβάλλεται πάνω στην εικόνα στο ορατό (credit NASA), αποκαλύπτει δύο πίδακες.

24 Κοσμικοί επιταχυντές πέρα από τον Γαλαξία Από την κεντρική περιοχή των ενεργών γαλαξιών μπορεί να ξεπηδούν αξονικά προς το διάστημα τεράστιοι πίδακες σχετικιστικών σωματιδίων

25 Quasars, γαλαξίες Seyfert, Βlazars... Φαίνεται ότι πρόκειται για την ίδια κατηγορία αντικειμένων: ενεργοί γαλαξίες ιδωμένοι από διαφορετικές γωνίες. Τα Blazars, με μεγάλη λαμπρότητα σε ακτινοβολία Χ και γ (ενέργεια μέχρι TeV), έχουν στραμμένο προς εμάς τον έναν από τους πίδακές τους.

26 Το Jet ενός AGN είναι ένας τεράστιος πίδακας υπερ-σχετικιστικών σωματιδίων

27 Πόσο μακριά; Αλληλεπίδραση των πρωτονίων υπερ-υψηλών ενεργειών με την ακτινοβολία υποβάθρου Όριο GZK (Greisen Zatsepin, Kuzmin, 1966): Το σύμπαν δεν είναι διαφανές(!) σε πρωτόνια ενέργειας πάνω από ev Αιτία: Τα κοσμικά πρωτόνια υπερ-υψηλών ενεργειών αλληλεπιδρούν έντονα με την ακτινοβολία υποβάθρου και χάνουν ενέργεια κυρίως μέσω της παραγωγής πιονίων (και με παραγωγή ζεύγους e - -e + ). Συνέπεια: Οι εξω-γαλαξιακές πηγές κοσμικών σωματιδίων δεν μπορεί να είναι σε απόσταση πάνω από ly (δηλαδή εντός του γαλαξιακού σμήνους). Για τους βαρύτερους πυρήνες, οι αποστάσεις που μπορούν να ταξιδεύουν είναι ακόμη μικρότερες, επειδή φωτοδιασπώνται κατά την αλληλεπίδρασή τους με την ακτινοβολία υποβάθρου.

28 Η ενεργός διατομή της φωτο-πιονικής αντίδρασης Η ενεργός διατομή (σε μbarns) φωτο-παραγωγής πιονίων από πρωτόνια, σε συνάρτηση με την ενέργειας των φωτονίων: γ + p n+ π + γ + p p+ π 0 γ + p p(n) + πιόνια Το ενεργειακό κατώφλι που απαιτείται για την φωτοπαραγωγή πιονίων είναι όση περίπου η μάζα ηρεμίας του παραγομένου πιονίου: Ε th m π c MeV

29 Υπολογισμός του ορίου GZK Ενέργεια φωτονίου ακτινοβολίας CMB: hv ev Ενέργεια φωτονίου ακτινοβολίας CMB στο Σ.Α. του σωματιδίου: γ ( υ cosθ ) 3 hv = γ hv0 + γ hv0 = γ (10 ev ) c (γ ο παράγοντας Lorentz του σωματιδίου, υ η ταχύτητά του, θ η γωνία της υ ως προς την ταχύτητα του φωτονίου). Θέτοντας hv = E thr = 150 MeV (το ενεργειακό κατώφλι που απαιτείται για φωτοπαραγωγή πιονίων) βρίσκουμε ότι ο παράγων Lorentz του σωματιδίου πρέπει να είναι: 150 MeV γ = 3 10 ev Άρα, η παραγωγή πιονίων αρχίζει από την ενέργεια πρωτονίου: Ε pr γ m pr c 2 γ 10 9 ev ev 11 Ακριβέστερα: Ε pr = ev

30 Μέσο μήκος ελεύθερης διαδρομής πρωτονίων (ενέργειας άνω του ορίου GZK) Μέσο μήκος μέχρι να συμβεί μια σκέδαση: λ π = σ 1 π n CMB Το μέσο μήκος ελεύθερης διαδρομής λ εξαρτάται από την ενεργό διατομή της σκέδασης και από την πυκνότητα η bgr της ακτινοβολίας υποβάθρου. Θεωρώντας: σ π 200 μb = cm 2 και ότι η bgr 500 φωτόνια/cm 3, προκύπτει: λ π = 1/(σ π η bgr ) cm = 10 7 έτη φωτός.

31 Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects The Pierre Auger Collaboration Science 9 November 2007: p Using data collected at the Pierre Auger Observatory during the past 3.7 years, we demonstrated a correlation between the arrival directions of cosmic rays with energy above 6x10 19 electron volts and the positions of active galactic nuclei (AGN) lying within 75 megaparsecs. The correlation we observed is compatible with the hypothesis that the highest-energy particles originate from nearby extragalactic sources whose flux has not been substantially reduced by interaction with the cosmic background radiation. AGN are possible sources.

32 Σωματίδια από το διάστημα Προέλευση Ήλιος, από kev (ηλιακός άνεμος, CMEs) μέχρι GeV (εκλάμψεις) Γαλαξίας, μέχρι PeV (=10 15 ev) από SNR Εξωγαλαξιακές πηγές, άνω των ev (από AGN, GRB,??) Υπερσυμμετρικά σωματίδια, σενάρια top-down (αντί bottom-up) Σενάρια top-down : Τα κοσμικά σωματίδια (UHECRs) προέρχονται από την διάσπαση σωματιδίων πολύ μεγάλης μάζας (πάνω από ev) π.χ. κοσμολογικές ατέλειες (μαγνητικά μονόπολα, κοσμικές χορδές, τοιχώματα περιοχών)

33 ιασπάσεις υπερ-μαζικών σωματιδίων Εντελώς διαφορετικό σενάριο που παρακάμπτει το πρόβλημα της επιτάχυνσης. Αποδίδει την αρχή των κοσμικών ακτίνων πολύ υψηλών ενεργειών σε διασπάσεις σε υπερσυμμετρικών σωματιδίων και σωματιδίων με μάζα της κλίμακας της μεγάλης ενοποίησης (10 24 με ev). Τα σωματίδια αυτά τεράστιας μάζας μπορεί να δημιουργούνται από τις λεγόμενες τοπολογικές ατέλειες, π.χ. μαγνητικά μονόπολα. Τα υπερ-συμμετρικά σωματίδια, προβλέπονται από τις θεωρίες υπερσυμμετρίας (supersymmetry, SUSY). Βασική ιδέα των θεωριών υπερσυμμετρίας : για κάθε σύνηθες σωματίδιο υπάρχει ένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο με παρόμοιες ιδιότητες αλλά με spin διαφορετικό κατά 1/2. Έτσι προκύπτουν: υπερσυμμετρικά μποζόνια από τα συνήθη φερμιόνια (π.χ. το selectron με σπιν 0, από το electron με σπιν 1/2). υπερσυμμετρικά φερμιόνια από τα συνήθη μποζόνια (π.χ. το photino με σπιν 1/2, από το photon με σπιν 1). Το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο που προβλέπεται από τα μοντέλα υπερσυμμετρίας είναι το neutralino χ (ένας γραμμικός συνδυασμός από photino, zino και τα δύο ουδέτερα Higgsino). Το neutralino είναι σταθερό επειδή δεν μπορεί να διασπασθεί σε άλλο υπερ-συμμετρικό σωματίδιο. Τα βαρύτερα όμως διασπώνται.

34 Πίσω στη Γή: Ατμοσφαιρικοί Καταιγισμοί Σωματιδίων Αποτελέσματα Ιονισμός της ατμόσφαιρας Φως φθορισμού & Cerenkov Δευτερογενή σωματίδια (p, n, π, e, γ, μ, ν,...) Ραδιονουκλίδια ( 3 H, 7 Be, 10 Be, 14 C,...)

35 ημιουργία των καταιγισμών σωματιδίων Ένα ενεργειακό σωματίδιο χάνει την ενέργειά του μέσα στο υλικό προκαλώντας ιονισμούς και διεγέρσεις αλλά και δημιουργώντας νέα σωματίδια. Παράδειγμα: ο ΗλεκτροΜαγνητισμός καταιγισμός Στην εικόνα: ΗΜ καταιγισμός που αναπτύχθηκε από ένα αρχικό φωτόνιο γ ή ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας, μέσα σε ειδική διάταξη στο MIT. Η διάταξη, αποτελούμενη από μια σειρά μεταλλικών πλακών μέσα σε θάλαμο φυσσαλίδων, παράγει τον καταιγισμό, επιτρέποντας ταυτόχρονα τη φωτογράφισή του.

36 Ανάπτυξη ηλεκτρομαγνητικού καταιγισμού Ένα φωτόνιο ή ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας E 0 >> Ε crit που προσπίπτει σε κάποιο υλικό, προκαλεί ένα καταιγισμό από δευτερογενή ηλεκτρόνια και φωτόνια μέσω ακτινοβολίας πέδησης και δίδυμης γένεσης. Σε απλοποιημένη εκδοχή ο ΗΜ καταιγισμός που δημιουργεί σωματίδιο γ υψηλής ενέργειας E 0 έχει ως εξής: το αρχικό γ παράγει ένα e+ και ένα e-, τα οποία, εφ όσον έχουν υψηλή ενέργεια, παράγουν με πέδηση νέα γ. Αυτά και πάλι με δίδυμη γένεση παράγουν νέα e+ και e- και έτσι η παραγωγή νέων σωματιδίων γ, e+ και e-, συνεχίζεται δημιουργώντας αυτό που αποκαλείται ηλεκτρομαγνητικός καταιγισμός. Ο πολλαπλασιασμός των σωματιδίων σταματά όταν η ενέργειά τους πέσει κάτω από την κρίσιμη ενέργεια Ε crit. Μπορούμε να θεωρήσουμε την απόσταση του ενός μήκους ακτινοβολίας Χ 0 ως το μήκος μέσα στο οποίο γίνεται η παραγωγή μιας γενιάς ηλεκτρονίων από φωτόνια ή μιας γενιάς φωτονίων από ηλεκτρόνια.

37 Αδρονικός καταιγισμός Η ισχυρή αλληλεπίδραση ενός αδρονίου, που προσπίπτει με μεγάλη ενέργεια σε κάποιο υλικό, με έναν πυρήνα του υλικού, δημιουργεί αδρονικό καταιγισμό. Η αλληλεπίδραση με τα νουκλεόνια παράγει συνήθως πιόνια, αλλά και άλλα ασταθή σωματίδια. Τα πιόνια εμφανίζονται με πολύ μεγάλες ενέργειες και διεύθυνση σχεδόν παράλληλη προς αυτήν του προσπίπτοντος σωματιδίου (η κάθετη ορμή τους p T είναι μικρή, της τάξης των MeV/c). Ένα άλλο ενδεχόμενο είναι η αποβολή από τον πυρήνα και προϊόντων θρυμματισμού (spallation fragments) δηλαδή αποβολή νετρονίων-πρωτονίων ή και συσσωματωμάτων νουκλεονίων. Αυτά είναι στην ουσία ελαφρείς πυρήνες, ασταθείς ή σταθεροί, οι οποίοι εκπέμπονται σχεδόν ισότροπα από τον αρχικό πυρήνα. Ενέργεια: το ένα τρίτο περίπου της ενέργειας δίνεται στο θρυμματισμό των πυρήνων, την εκπομπή νετρονίων-πρωτονίων και σε πυρηνικές διεγέρσεις. Η υπόλοιπη ενέργεια εμφανίζεται στα πιόνια, τα οποία δίνουν το έναυσμα σε αδρονικούς και ηλεκτρομαγνητικούς καταιγισμούς. Η παραγωγή πιονίων συνεχίζεται μέχρι η ενέργεια των αδρονίων να πέσει κάτω από ~ 1 GeV.

38 Ανάπτυξη ατμοσφαιρικού καταιγισμού Θρυμματισμός Πυρήνων Αποβάλλονται προϊόντα θρυμματισμού: νετρόνια-πρωτόνια και ελαφρείς πυρήνες. Τα αδρόνια μεγάλης ενέργειας (κυρίως πιόνια), δίνουν έναυσμα σε αδρονικούς και ηλεκτρομαγνητικούς καταιγισμούς.

39 Ανίχνευση των κοσμικών σωματιδίων Τί μετράμε; Φως Cerenkov Φως φθορισμού (UV) Aτμοσφαιρικό βάθος του μεγίστου Λόγος μ/e

40 Ακτινοβολία Cerenkov Ακτινοβολία Cerenkov εκπέμπεται όταν φορτισμένο σωματίδιο διέλθει μέσα από διηλεκτρικό μέσο με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός στο μέσον. Ο κώνος της ακτινοβολίας δημιουργείται από την εποικοδομητική συμβολή των επιμέρους φωτεινών κυμάτων και αποτελεί ισοφασική επιφάνεια. Συνθήκη εκπομπής ακτινοβολίας Cerenkov: υ υ ϕ υ υ c c ϕ β 1 n π.χ. για το νερό: n = 1,33 άρα: βmin = 0,7519 για τον αέρα: n = 1, άρα: βmin = 0,9997

41 Ακτινοβολία Cerenkov Η γωνία εκπομπής θ της ακτινοβολίας Cerenkov, σε δεδομένο μέσο, εξαρτάται μόνο από την ταχύτητα υ του σωματιδίου: υ c ϕt υϕ n c 1 cos θ = = = = = υ t υ υ υn β n π.χ. για το νερό: β(min) = 0,7519 άρα θ(max) = 41,25 0 για τον αέρα: β(min) = 0,9997 άρα θ(max) = 1,36 0 Όταν η ακτινοβολία Cerenkov προσπίπτει σε πέτασμα κάθετο στην τροχιά του σωματιδίου, δημιουργεί κυκλικό δακτύλιο, το μέγεθος του οποίου εξαρτάται από την ταχύτητα υ του σωματιδίου και την απόσταση του πετάσματος.

42 Μιόνια: τα πιο διεισδυτικά σωματίδια

43 Το πείραμα Pierre Auger Πρόκειται για συνδυασμό διάταξης ανιχνευτών σωματιδίων επί του εδάφους (Cerenkov) και ανιχνευτών φωτός φθορισμού. Μεγάλο ενεργό γωνιακό άνοιγμα παρατήρησης 1600 ανιχνευτές σωματιδίων που καλύπτουν έκταση περί τα 3000 Km κοσμικά σωματίδια ανά έτος ενέργειας πάνω από ev Ένα τμήμα στο νότιο ημισφαίριο (Αργεντινή) και ένα στο βόρειο (Utah, ΗΠΑ) Ανακατασκευή της τροχιάς μιας ultrahighenergy κοσμικής ακτίνας (με κόκκινο) από τα δεδομένα των 4 σταθμών καταγραφής του φωτός φθορισμού στο Pierre Auger Observatory στην Αργεντινή. Το παρατηρητήριο περιλαμβάνει και μια τεράστια έκταση με ανιχνευτές σωματιδίων.

44 Ανιχνευτής φωτός φθορισμού (UV) Ανιχνευτής Cerenkov

45 Ανίχνευση κοσμικών ακτίνων γ

46 Κοσμικές Ακτίνες Γάμμα υψηλής ενέργειας Τηλεσκόπιο Cerenkov HESS, Ναμίμπια Εικόνα όλου του ουρανού στις ακτίνες γάμμα υψηλών ενεργειών

47 Ανίχνευση ατμοσφαιρικών μιονίων στο Α.Π.Θ. Μετρήσεις μιονίων που έγιναν με δύο συστήματα ανίχνευσης κοσμικών μιονίων του Εργαστηρίου Πυρηνικής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης α) κυλινδρικός σπινθηριστής NaI (3 x 3 ) με θωράκιση, β) επίπεδος πλαστικός σπινθηριστής (πάχους 2 cm). Cosmic (NaI 3x3) COSMICS: Horizontal Plastic Scintillator, No shielding counts channel Log (counts) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Energy (MeV)

48 Έρευνα για την άμεση ανίχνευση σωματιδίων της Σκοτεινής Ύλης CAST

49 Τα αξιόνια και το πρόβλημα της CP στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις Τα αξιόνια είναι υποθετικά σωματίδια (μποζόνια), πολύ μικρής μάζας (κάτω του ev), και τα οποία αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη. Η ύπαρξή τους προτάθηκε για να αιτιολογήσει την παρατηρούμενη απόλυτη διατήρηση της CP-συμμετρίας στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις (strong CP problem). (neutron electric dipole moment) Συμμετρία Peccei-Quinn: με την εισαγωγή της αποκλείονται όλοι οι όροι της λαγκρανσιανής που παραβιάζουν την CP Axion, pseudoscalar boson, from breaking of the PQ symmetry at f a neutral bosons spin-parity J PC = 0 -+ very low mass very low interaction cross-sections practically stable Axions The axion mass depends on the U PQ (1) symmetrybreaking scale f a m a The axion coupling strength is: fa (GeV) Excellent candidate for dark matter! 7 10 GeV 0.62 ev g a m a

50 Αξιόνια από τον Ήλιο Τα αξιόνια συζεύγνυνται με το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο: La γ = ga γ ( E B) a Primakoff effect: Τα αξιόνια μπορούν να μετασχηματισθούν σε φωτόνια εντός εξωτερικών ηλεκτρικών ή μαγνητικών πεδίων. Το πλάσμα στο εσωτερικό των αστέρων μπορεί να παράγει αξιόνια από την μετατροπή των φωτονίων με κατανομή μέλανος σώματος. γ a + γ(virtual) Ηλιακά αξιόνια photon to axion conversion

51 a + γ (virtual) γ O Ήλιος αποτελεί για την Γη μια πηγή αξιονίων με συνεχές ενεργειακό φάσμα (μέγιστο περί τα 4 kev).

52 Περί κλίματος ΕΡΩΤΗΣΗ: Είναι σταθερό το κλίμα της Γής; ΑΠΑΝΤΗΣΗ: Όχι! Παράδειγμα, η λεγόμενη Μικρή Εποχή των Παγετώνων (the Little Ice Age). Είναι μια σχετικά ψυχρή χρονική περίοδος μετά τον μάλλον θερμό μεσαίωνα. Η περίοδος αυτή άρχισε τον 16ο-17ο αιώνα και τελείωσε στα μέσα του 19ου αιώνα. Ελάχιστο γύρω στα Κατά την Μικρή Εποχή των Παγετώνων η Ευρώπη και η Βόρεια Αμερική είδαν φαινόμενα πρωτόγνωρα για τον 20 ο αιώνα: οι αλπικοί παγετώνες επεκτάθηκαν μέχρι τις καλλιεργήσιμες εκτάσεις στις κοιλάδες και κατέστρεψαν ολόκληρα χωριά, οι αρκτικοί πάγοι πέρασαν νότια του αρκτικού κύκλου, ο Τάμεσης και τα ολλανδικά κανάλια έμεναν καλυμμένα με χοντρό πάγο σχεδόν όλο τον χειμώνα, πάγωσε ο Κεράτιος κόλπος στην Κωνσταντινούπολη (1622), και οι Σουηδικός στρατός επέλασε μέσω της παγωμένης θάλασσας και εισέβαλε στην Κοπεγχάγη! Εύγλωττη μαρτυρία και οι ζωγραφικοί πίνακες.

53 Hendrick Avercamp: A Scene on the Ice (γύρω στα 1610 με 1630)

54 Maunder minimum Το ελάχιστο του Maunder είναι ένα χρονικό διάστημα περίπου μισού αιώνα (από το 1645 ως το 1715) κατά το οποίο οι ηλιακές κηλίδες σχεδόν εξαφανίστηκαν. Το όνομα οφείλεται στον αστρονόμο Edward Maunder ( ) που μελέτησε τις καταγραφές των παρατηρητών εκείνου του καιρού. Την ίδια χρονική περίοδο υπήρξε μικρή μείωση της λαμπρότητας του Ήλιου.

55 Ήλιος, Κοσμικές Ακτίνες, Νέφωση Συσχέτιση της ροής των κοσμικών ακτίνων (από μετρήσεις ΝΜ, κόκκινο) και της χαμηλής νέφωσης (από δεδομένα δορυφόρου, μπλέ) [Marsh & Svensmark, 2003]. Θεωρία Svensmark Ασθενέστερος ηλιακός άνεμος μεγαλύτερη ροή κοσμικών ακτίνων στη Γή περισσότερος ατμοσφαιρικός ιονισμός περισσότερη νέφωση μεγαλύτερο albedo μείωση μέσης θερμοκρασίας.

56 Τα σύγχρονα δεδομένα δείχνουν ότι η τρέχουσα κλιματική αλλαγή (δηλαδή η παγκόσμια αύξησης της θερμοκρασίας) δεν οφείλεται σε μεταβολές της ηλιακής δραστηριότητας, αλλά είναι κυρίως ανθρωπογενής. Proc. R. Soc. A doi: /rspa Recent oppositely directed trends in solar climate forcings and the global mean surface air temperature MIKE LOCKWOOD 1,2, CLAUS FROEHLICH 3 1Rutherford Appleton Laboratory, Chilton, Oxfordshire OX11 0QX, UK 2Space Environment Physics Group, School of Physics and Astronomy, University of Southampton, SO17 1BJ, UK 3Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos, World Radiation Center, 7260 Davos Dorf, Switzerland ABSTRACT There is considerable evidence for solar influence on the Earth s pre-industrial climate and the Sun may well have been a factor in post-industrial climate change in the first half of the last century. Here we show that over the past 20 years, all the trends in the Sun that could have had an influence on the Earth s climate have been in the opposite direction to that required to explain the observed rise in global mean temperatures.

57 Βιολογικές επιπτώσεις

58 Single Event Upset (SEU) ή bit-flip είναι η μεταβολή που προκαλείται στην κατάσταση ενός στοιχείου ηλεκτρονικού κυκλώματος από τα φορτία που δημιουργούνται όταν ένα σωματίδιο υψηλής ενέργειας χτυπά τον ευαίσθητο κόμβο ενός μικροηλεκτρονικού στοιχείου (π.χ. μικροεπεξεργαστής, μνήμη ημιαγωγών, ή τρανζίστορ ισχύος). Αν η ποσότητα φορτίου που ελευθερώνεται είναι αρκετά μεγάλη, αναπτύσσεται μια διαφορά δυναμικού που προκαλεί ένα bit flip, που καλείται soft error. Η μεταβολή αυτή δεν θεωρείται ως μόνιμη καταστροφή του μικροηλεκτρονικού στοιχείου, αλλά μπορεί να αλλοιώσει τα δεδομένα.

59 Αεροπορικά ταξίδια και κοσμική ακτινοβολία Το προσωπικό και οι επιβάτες των πτήσεων εκτίθενται σε επιπλέον ακτινοβόληση λόγω της αυξημένης κοσμικής ακτινοβολίας στα μεγάλα ύψη. Το 50% της απορροφούμενης δόσης οφείλεται στα ατμοσφαιρικά νετρόνια. Στα συνήθη ύψη των πτήσεων ( πόδια ή 9-12 km), η έκθεση είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από ότι στο έδαφος. Η έκθεση στην περιοχή των μαγνητικών πόλων είναι περίπου διπλάσια από ότι στην περιοχή του ισημερινό (φαινόμενο γεωγραφικού πλάτους, Geographic Latitude effect). Solar Proton Events (SPEs): ξαφνική αύξηση των επιπέδων ακτινοβόλησης στην περιοχή της γής λόγω μαζικής εκπομπής φορτισμένων σωματιδίων από τον Ήλιο. Ανάγκη για πρόβλεψη του διαστημικού καιρού. Τα πληρώματα που εκτελούν ώρες πτήσης ανά έτος δέχονται 2 με 5 millisievert (msv) απορροφούμενης δόσης λόγω κοσμικής ακτινοβολίας, πλέον των 1-2 msv που δέχονται από τις άλλες πηγές ακτινοβόλησης (τεχνητές-κυρίως ιατρικές και φυσικές).

60 Αίτια της έκθεσης σε ιονίζουσα ακτινοβολία των ανθρώπων στο έδαφος

61 Αστρο-Σωματιδιακή Φυσική Νέος τομέας έρευνας που μελετά τα σωματίδια που έρχονται από το Σύμπαν και συνδυάζει την φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, την αστρονομία, την αστροφυσική και την κοσμολογία. Καλείται να απαντήσει σε ερωτήματα όπως: Το υλικό του σύμπαντος. Βίαια φαινόμενα AGN, GRB, Βαρυτικά κύματα. Νετρίνα: ιδιότητες, και ο ρόλος τους στην εξέλιξη των αστέρων και του σύμπαντος. Σκοτεινή ύλη Σκοτεινή ενέργεια Υποδομές: Υπόγεια εργαστήρια, για τη μείωση του υποστρώματος ακτινοβολίας Επίγεια παρατηρητήρια, τηλεσκόπια, αντένες με μεγάλη ενεργό επιφάνεια ορυφόροι για ανίχνευση φωτονίων, κοσμικών ακτίνων και βαρυτικών κυμάτων Οργάνωση: ίκτυο ASPERA (ASPERA Greek National Day, Sept Athens) Συνεργασία ApPEC Πρόγραμμα ILIAS

62 Τέλος