Tópicos em AstropartículasTópicos em AstropartículasRogério RosenfeldRogério Rosenfeld

Instituto de Física Teórica/UNESPInstituto de Física Teórica/UNESP

Jornada de Física TeóricaIFT-UNESP 14/07/2008

O que é Física de Astropartículas?O que é Física de Astropartículas?

A Física de Astropartículas é um campoA Física de Astropartículas é um campode pesquisa na de pesquisa na interfaceinterface entre Física de entre Física de Partículas Elementares, Astrofísica e Cosmologia. Partículas Elementares, Astrofísica e Cosmologia.

O que é Física de Astropartículas?O que é Física de Astropartículas?Algumas perguntas que a Astropartículas está Algumas perguntas que a Astropartículas está tentando responder:tentando responder:

•• Qual é a origem da matéria escura?Qual é a origem da matéria escura?•• Por quê o Universo está acelerando?Por quê o Universo está acelerando?•• Como detectar a matéria escura em laboratório?Como detectar a matéria escura em laboratório?•• Por quê há mais matéria do que antiPor quê há mais matéria do que anti--matéria nomatéria no

Universo?Universo?•• Qual a origem dos raios cósmicos?Qual a origem dos raios cósmicos?•• Qual a origem dos elementos químicos?Qual a origem dos elementos químicos?•• Detecção de neutrinos de altas energias.Detecção de neutrinos de altas energias.•• Detecção de ondas gravitacionais.Detecção de ondas gravitacionais.

O que é Física de Astropartículas?O que é Física de Astropartículas?Astroparticle Physics publishes experimental and theoretical Astroparticle Physics publishes experimental and theoretical research papers in the interacting fields of Cosmic Ray research papers in the interacting fields of Cosmic Ray Physics, Astronomy and Astrophysics, Cosmology and Physics, Astronomy and Astrophysics, Cosmology and Particle Physics focusing on new developments in the Particle Physics focusing on new developments in the following areas:following areas:

• High• High--energy cosmicenergy cosmic--ray physics and astrophysics;ray physics and astrophysics;

• Particle cosmology;• Particle cosmology;

• Particle astrophysics;• Particle astrophysics;

• Related astrophysics: supernova, AGN, cosmic • Related astrophysics: supernova, AGN, cosmic abundances, dark matter etc.;abundances, dark matter etc.;

• High• High--energy, VHE and UHE gammaenergy, VHE and UHE gamma--ray astronomy;ray astronomy;

• High• High-- and lowand low--energy neutrino astronomy;energy neutrino astronomy;

• Instrumentation and detector developments related to the • Instrumentation and detector developments related to the aboveabove--mentioned fields.mentioned fields.

Raios Cósmicos de Altíssimas EnergiasRaios Cósmicos de Altíssimas Energias

Tópico 1Tópico 1

Raios cósmicos são Raios cósmicos são partículaspartículas que vêm do espaço e que vêm do espaço e incidem na atmosfera da Terra.incidem na atmosfera da Terra.

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve história

Foram construídos vários instrumentos capazes de Foram construídos vários instrumentos capazes de detectar radioatividade: estava presente em todosdetectar radioatividade: estava presente em todoslugares (montanhas, mar, etc.)lugares (montanhas, mar, etc.)

O fenômeno da radioatividade havia sido descobertoO fenômeno da radioatividade havia sido descobertopelo físico francês Henri Becquerel em 1896.pelo físico francês Henri Becquerel em 1896.

Placa fotográfica exposta à radiação de um Placa fotográfica exposta à radiação de um sal de urânio.sal de urânio.

Raios cósmicos foram descobertos em 1912 pelo Raios cósmicos foram descobertos em 1912 pelo físico austríaco Victor Hess. Recebeu o prêmio físico austríaco Victor Hess. Recebeu o prêmio Nobel em 1936.Nobel em 1936.Voando em um balão a uma altura de quase 6 kmVoando em um balão a uma altura de quase 6 kmele mostrou que a radioatividade ele mostrou que a radioatividade aumentavaaumentava com a com a altitude: existe fontes de radioatividade que vêm de altitude: existe fontes de radioatividade que vêm de fora da Terra!fora da Terra!

Eletroscópio descarregava Eletroscópio descarregava mais rapidamente quanto mais rapidamente quanto mais alto estava o balãomais alto estava o balão

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve história

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.

Em 1925 Robert Millikan introduziu o nome de raios Em 1925 Robert Millikan introduziu o nome de raios cósmicos a essa radiação vinda do espaço.cósmicos a essa radiação vinda do espaço.

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve história

Como se pode “ver” raios cósmicos?Como se pode “ver” raios cósmicos?

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve história

Câmara de nuvens: gás prestes a se condensar.Câmara de nuvens: gás prestes a se condensar.

A passagem de uma partícula com carga elétricaA passagem de uma partícula com carga elétricaioniza o gás, causando a condensação de pequenas ioniza o gás, causando a condensação de pequenas gotas ao longo da trajetória da partícula.gotas ao longo da trajetória da partícula.

Câmara de nuvens (câmara de Wilson)Câmara de nuvens (câmara de Wilson)

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve história

Novas partículas foram descobertas estudandoNovas partículas foram descobertas estudando--seseraios cósmicos:raios cósmicos:

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve história

Carl Anderson (1932)Carl Anderson (1932)Descoberta do positronDescoberta do positron

Por coincidência ganhouPor coincidência ganhouprêmio Nobel junto comprêmio Nobel junto comHess!Hess!

Novas partículas foram descobertas estudandoNovas partículas foram descobertas estudando--seseraios cósmicos: mésons raios cósmicos: mésons pp

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve história

Chacaltaya, 5500 m, BolíviaChacaltaya, 5500 m, Bolívia

Nature 159: 694-7, May 24, 1947PROCESSES INVOLVING CHARGED MESONS

By DR. C. M. G. LATTES, H. MUIRHEAD, DR. G. P. S. OCCHIALINI and

DR. C. F. POWELLH. H. Wills Physical Laboratory, University of Bristol Chapas fotográficasChapas fotográficas

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”.

19871987

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve históriaRaios cósmicos de altas energias colidindo com Raios cósmicos de altas energias colidindo com moléculas de ar na atmosfera dão origem a moléculas de ar na atmosfera dão origem a chuveiros chuveiros de partículasde partículas que chegam até a superfície terrestre.que chegam até a superfície terrestre.

Pierre Auger1938

Gleb Wataghin1939

Mais de 1 milhão dessas partículas de chuveirosMais de 1 milhão dessas partículas de chuveirosatravessa você em 1 minuto!atravessa você em 1 minuto!

Chuveiros extensos Chuveiros extensos de partículasde partículas

Gleb Wataghin1939

Raios cósmicos podem penetrar paredes de chumboRaios cósmicos podem penetrar paredes de chumbocom mais de 1 metro de espessura e foram detectados com mais de 1 metro de espessura e foram detectados em lagos a profundezas de 500 m!em lagos a profundezas de 500 m!

De onde vem os raios cósmicos? De onde vem os raios cósmicos? Hess não detectou diferenças de intensidade entre Hess não detectou diferenças de intensidade entre dia e noite ou durante um eclipse: não vem do Sol.dia e noite ou durante um eclipse: não vem do Sol.

Raios Cósmicos: uma breve históriaRaios Cósmicos: uma breve história

Raios Cósmicos de Altíssimas EnergiasRaios Cósmicos de Altíssimas Energias

Raios cósmicos são Raios cósmicos são partículaspartículas que vêm do espaço e que vêm do espaço e incidem na atmosfera da Terra.incidem na atmosfera da Terra.

Essas partículas possuem energias muito variadas.Essas partículas possuem energias muito variadas.

Em física de partículas, a energia é medida em Em física de partículas, a energia é medida em unidades chamadas de unidades chamadas de elétronelétron--voltvolt (eV): energia(eV): energiade um elétron submetido a uma diferença de de um elétron submetido a uma diferença de potencial de 1 volt. Muito pequena...potencial de 1 volt. Muito pequena...

Energia

Fóton de luz visívelFóton de luz visível 1 eV1 eV

Luz ultravioleta do SolLuz ultravioleta do SolPode queimar sua pelePode queimar sua pele 10 eV10 eV

RaiosRaios--XXPassa através de seu corpo Passa através de seu corpo (pode causar câncer)(pode causar câncer)

1000 eV = 1 keV1000 eV = 1 keV

Raios gamaRaios gama 10101212 eV = 1 TeV eV = 1 TeV (Energia no LHC será de 14 TeV)(Energia no LHC será de 14 TeV)

Raios cósmicos detectados Raios cósmicos detectados pelo experimento SPASEpelo experimento SPASE--22 10101515 eV = 1 PeVeV = 1 PeV

Raios cósmicos detectados Raios cósmicos detectados no Observatório Pierre Augerno Observatório Pierre Auger

10102020 eV = 100 EeV (energia de uma bola de futebol eV = 100 EeV (energia de uma bola de futebol depois de um bom chute)depois de um bom chute)

101033 eV = Kev = Kilo electron volteV = Kev = Kilo electron volt 10101515 eV = PeV = Peta electron volteV = PeV = Peta electron volt

101066 eV = MeV = Mega electron volteV = MeV = Mega electron volt 10101818 eV =EeV = Exa electron volteV =EeV = Exa electron volt

101099 eV = GeV = Giga electron volteV = GeV = Giga electron volt 10102121 eV =ZeV = Zeta electron volteV =ZeV = Zeta electron volt10101212 eV = TeV = Tera electron volteV = TeV = Tera electron volt

Raios CósmicosRaios Cósmicos

Raios cósmicos são Raios cósmicos são partículaspartículas que vêm do espaço e que vêm do espaço e incidem na atmosfera da Terra.incidem na atmosfera da Terra.

Perguntas que queremos responder:Perguntas que queremos responder:•• FluxoFluxo: quantas chegam até a Terra e com qual : quantas chegam até a Terra e com qual energia?energia?•• OrigemOrigem: de onde vem os raios cósmicos? : de onde vem os raios cósmicos? •• ComposiçãoComposição: quais são essas partículas?: quais são essas partículas?•• Mecanismo de Mecanismo de aceleraçãoaceleração: como essas partículas : como essas partículas adquirem energias tão altas? adquirem energias tão altas?

Fluxo de Raios CósmicosFluxo de Raios CósmicosQuantos chegam até a Terra e com qual energia?Quantos chegam até a Terra e com qual energia?

raios cósmicos de baixa energiaraios cósmicos de baixa energia

raios cósmicos de raios cósmicos de altíssimas energiasaltíssimas energias

Fluxo de Raios CósmicosFluxo de Raios CósmicosQuantos chegam até a Terra e com qual energia?Quantos chegam até a Terra e com qual energia?

Swordy 2001Swordy 2001

Raios Cósmicos de Altíssimas EnergiasRaios Cósmicos de Altíssimas Energias

Raios cósmicos de altíssimas energias (> Raios cósmicos de altíssimas energias (> 10101919 eVeV) ) são extremamente raros: 1 evento por kmsão extremamente raros: 1 evento por km2 2 por por século!!século!!

Como estudar raios cósmicos de altíssimas energias?Como estudar raios cósmicos de altíssimas energias?

Detector com uma grande área!Detector com uma grande área!Observatório Pierre Auger: 3000 kmObservatório Pierre Auger: 3000 km22

Observatório Pierre AugerObservatório Pierre Auger

Atualmente, mais de 400 físicos de 90 instituições em 17 países fazem parte Atualmente, mais de 400 físicos de 90 instituições em 17 países fazem parte da colaboração que está terminando de construir o Observatório Auger.da colaboração que está terminando de construir o Observatório Auger.O custo total do Projeto é de U$50 milhões!O custo total do Projeto é de U$50 milhões!Brasil: 18 pesquisadores mais vários estudantes, pósBrasil: 18 pesquisadores mais vários estudantes, pós--docs e engenheiros.docs e engenheiros.

O Projeto Auger foi proposto em 1992 por Jim Cronin e Alan Watson.O Projeto Auger foi proposto em 1992 por Jim Cronin e Alan Watson.

Observatório Pierre AugerObservatório Pierre Auger

Observatório Pierre AugerObservatório Pierre AugerUsa uma técnica híbrida: Usa uma técnica híbrida: 1.1. detecta o chuveiro de partículas em tanques detecta o chuveiro de partículas em tanques 2.2. detecta a luz florescente emitida durante o desenvolvimento detecta a luz florescente emitida durante o desenvolvimento

do chuveiro na atmosfera em “telescópios”.do chuveiro na atmosfera em “telescópios”.

tanquestanques

telescópiotelescópio

Observatório Pierre AugerObservatório Pierre Auger1600 tanques com espaçamento de 1,5 km.1600 tanques com espaçamento de 1,5 km.

12 toneladas de água pura12 toneladas de água pura

Observatório Pierre AugerObservatório Pierre Auger

Observatório Auger tem 4 Telescópios. Observatório Auger tem 4 Telescópios. Funcionam apenas em noites claras sem lua (10% das noites)!Funcionam apenas em noites claras sem lua (10% das noites)!

Observatório Pierre AugerObservatório Pierre Auger

Resultados Recentes do Observatório AugerResultados Recentes do Observatório Auger

Fluxo de raios cósmicos de altíssimas energiasFluxo de raios cósmicos de altíssimas energias

Observation of the suppression of the flux of cosmic rays above 4x10^19eVAuthors: 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: 7 pages, 2 figues, accepted for publication in Physics Review Letters

Cite as: arXiv:0806.4302v1 [astro-ph]

Resultados Recentes do Observatório AugerResultados Recentes do Observatório AugerFluxo de raios cósmicos de altíssimas energiasFluxo de raios cósmicos de altíssimas energias

Junho 2008Junho 2008

Supressão de eventos com Supressão de eventos com energia maior que 4x10energia maior que 4x101919 eVeV

Resultados Recentes do Observatório AugerResultados Recentes do Observatório Auger

Supressão de eventos com Supressão de eventos com energia maior que 4x10energia maior que 4x101919 eVeV

G. Matthiae G. Matthiae –– Julho 2008Julho 2008

Resultados Recentes do Observatório AugerResultados Recentes do Observatório Auger

Supressão do fluxo de raios cósmicos de altíssimas Supressão do fluxo de raios cósmicos de altíssimas energias: energias: o corte de GZKo corte de GZK (Greisen, Zatsepin e (Greisen, Zatsepin e Kuz'min). Kuz'min).

O espaço cósmico não é vazio! Em particular, cadaO espaço cósmico não é vazio! Em particular, cadacmcm33 do universo contem cerca de 400 fótons de do universo contem cerca de 400 fótons de baixa energia(~ 10baixa energia(~ 10--44 eV, T~3 K), fósseis do Big Bang.eV, T~3 K), fósseis do Big Bang.

Resultados Recentes do Observatório AugerResultados Recentes do Observatório Auger

O corte de GZKO corte de GZK (Greisen, Zatsepin e Kuz'min). (Greisen, Zatsepin e Kuz'min).

Os raios cósmicos de altíssimas energias, se forem Os raios cósmicos de altíssimas energias, se forem formados de prótons, interagem com esses fótons e formados de prótons, interagem com esses fótons e rapidamente perdem energia!rapidamente perdem energia!

O corte de GZKO corte de GZK (Greisen, Zatsepin e Kuz'min). (Greisen, Zatsepin e Kuz'min).

Distância máxima de Distância máxima de propagação de prótons propagação de prótons de altas energias:de altas energias:

Resultados Recentes do Observatório AugerResultados Recentes do Observatório Auger

Por muitos anos houve uma controvérsia sobre a Por muitos anos houve uma controvérsia sobre a existência do corte GZK.existência do corte GZK.

Os dados de 1 ano do Auger, junto com dados de Os dados de 1 ano do Auger, junto com dados de outro experimento HiRes, outro experimento HiRes, confirmamconfirmam a existência do a existência do corte GZK.corte GZK.

Origem dos Raios CósmicosOrigem dos Raios CósmicosDe onde vem os raios cósmicos de altíssimas De onde vem os raios cósmicos de altíssimas energias?energias?

Mesmo se fossem partículas com carga elétrica,Mesmo se fossem partículas com carga elétrica,raios cósmicos de altíssimas energias são pouco raios cósmicos de altíssimas energias são pouco defletidos pelos campos magnéticos que existem no defletidos pelos campos magnéticos que existem no Universo: Universo: sua direção de chegada corresponde à sua direção de chegada corresponde à posição da fonte emissora!posição da fonte emissora!

Origem dos Raios CósmicosOrigem dos Raios CósmicosObservatório Auger encontrou uma correlação entre a direção Observatório Auger encontrou uma correlação entre a direção de chegada dos raios cósmicos de altíssimas energias e a de chegada dos raios cósmicos de altíssimas energias e a posição de núcleos ativos de galáxias (AGN):posição de núcleos ativos de galáxias (AGN):

Novembro 2007Novembro 2007

Origem dos Raios CósmicosOrigem dos Raios CósmicosObservatório Auger encontrou uma correlação entre a direção Observatório Auger encontrou uma correlação entre a direção de chegada dos raios cósmicos de altíssimas energias e a de chegada dos raios cósmicos de altíssimas energias e a posição de núcleos ativos de galáxias (AGN):posição de núcleos ativos de galáxias (AGN):

Origem dos Raios CósmicosOrigem dos Raios CósmicosNúcleos ativos de galáxias (AGN): o núcleo dessas galáxias Núcleos ativos de galáxias (AGN): o núcleo dessas galáxias emite mais energia do que toda a galáxia! Imaginaemite mais energia do que toda a galáxia! Imagina--se que a se que a fonte dessa energia seja um buraco negro supermassivo.fonte dessa energia seja um buraco negro supermassivo.

Ground Based and Hubble Space Telescope Ground Based and Hubble Space Telescope images of the Active Galaxy NGC 4261 images of the Active Galaxy NGC 4261

Composição dos Raios CósmicosComposição dos Raios Cósmicos

Quais são as essas partículas?Quais são as essas partículas?

Raios cósmicos são Raios cósmicos são partículaspartículas que vêm do espaço e que vêm do espaço e incidem na atmosfera da Terra.incidem na atmosfera da Terra.

Candidatos usuais: prótons, núcleos pesados (ferro), Candidatos usuais: prótons, núcleos pesados (ferro), fótons??fótons??

Composição dos Raios CósmicosComposição dos Raios CósmicosCada um desses candidatos para ser a partícula primária dá Cada um desses candidatos para ser a partícula primária dá origem a chuveiros com características diferentes. Os origem a chuveiros com características diferentes. Os telescópios de flourescência são essenciais!telescópios de flourescência são essenciais!

Composição dos Raios CósmicosComposição dos Raios Cósmicos

Os dados apontam para uma composição intermediária entre Os dados apontam para uma composição intermediária entre prótons e núcleos. Fótons estão descartados (prótons e núcleos. Fótons estão descartados (infelizmenteinfelizmente...)....).

Mecanismo de Aceleração dos Raios CósmicosMecanismo de Aceleração dos Raios Cósmicos

Até energias de 10Até energias de 101717 eV, acreditaeV, acredita--se que os raios se que os raios cósmicos sejam gerados em grandes explosões cósmicos sejam gerados em grandes explosões estelares denominadas supernovas.estelares denominadas supernovas.

É muito difícil imaginar mecanismos que acelerem É muito difícil imaginar mecanismos que acelerem raios cósmicos a energias maiores de 10raios cósmicos a energias maiores de 101717 eV.eV.

Ainda não é conhecido um mecanismo de aceleração e Ainda não é conhecido um mecanismo de aceleração e extração de prótons ou núcleos atômicos de um AGN.extração de prótons ou núcleos atômicos de um AGN.

CONCLUSÕESCONCLUSÕES•• FluxoFluxo: quantas chegam até a Terra e com qual : quantas chegam até a Terra e com qual energia?energia?Fluxo medido. Existe o corte GZK em 4xFluxo medido. Existe o corte GZK em 4x10101919 eV.eV.

•• OrigemOrigem: de onde vem os raios cósmicos?: de onde vem os raios cósmicos?A fonte de RCAE são provavelmente núcleos ativos A fonte de RCAE são provavelmente núcleos ativos de galáxias.de galáxias.

•• ComposiçãoComposição: quais são essas partículas?: quais são essas partículas?Provavelmente uma mistura de prótons e núcleos Provavelmente uma mistura de prótons e núcleos atômicosatômicos

•• Mecanismo de Mecanismo de aceleraçãoaceleração: como essas partículas : como essas partículas adquirem energias tão altas? adquirem energias tão altas? Não sabemos ainda…Não sabemos ainda…

Neutrinos no AugerNeutrinos no Auger

G. Matthiae G. Matthiae –– Julho 2008Julho 2008

Neutrinos no AugerNeutrinos no Auger

GZK Neutrino ProductionGZK Neutrino Production

2.725 K

411 photons / cm3

Gamma Beam Energy (GeV)

Cro

ss S

ectio

n (m

b)

0.1

0.01

γ+ p→Δ（1232）→ πo p or π+ n

Gamma Beam Energy (GeV)

Cro

ss S

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n (m

b)

0.1

0.01

γ+ p→Δ（1232）→ πo p or π+ n

Gamma Beam Energy (GeV)

Cro

ss S

ectio

n (m

b)

0.1

0.01

γ+ p→Δ（1232）→ πo p or π+ n

0.6 x 10-27 cm2

γp

n p

π＋ µ＋ν e＋ ν

γ

E = 10 20 eV

E 0.8 x 10 20 eV ~

Conventional Mechanism of EHE neutrinos!!Conventional Mechanism of EHE neutrinos!!

Yoshida 2003

ICECUBEICECUBE

astro-ph/0512604