I raggi Cosmici di Alta e Ultra Alta

I raggi Cosmici di Alta e Ultra Alta Energia Andrea Chiavassa Università ed INFN Torino IFAE 2006 Pavia 19 -21 Aprile 2006

1 particella m-2 s-1 Knee 1 particella m-2 anno-1 Ankle 1 particella km-2 anno-1

Ipotesi sulla natura del Ginocchio • Meccanismi di Tipo Astrofisico - Limite nei processi di accelerazione in sorgenti galattiche? - Diffusione dei primari nella propagazione entro campi magnetici galattici? • Cambiamento nei meccanismi di interazione dei primari con i nuclei atmosferici • Single Source Model

Misure per Separare diverse ipotesi • Composizione Chimica • Anisotropie • Spettri dei singoli Elementi Misure da Satellite o Palloni (primari) • Bassa Statistica • Determinazione dell’energia, sempre meno “diretta” • Misura della carica del Primario Misure da Terra (su EAS) • Alta Statistica • Interpretazione dei dati legata ai MC

Esperimenti operanti su Palloni Esperimento Tecnica # voli JACEE Emulsioni 11 644 m 2 hours @ 3. 5 -5. 5 g cm-2 RUNJOB Emulsioni 10 575 m 2 hrs @ 9 -10. 7 g cm-2 ATIC Silici, Scintillatori Calorimetro BGO 2 ~7 m 2 sr giorni AW=0. 24 m 2 sr CREAM Scintillatori, Silici TRD, Calorimetro 2 41+29 giorni di volo Z>3 AW=1. 3 m 2 sr Z≥ 1 AW=0. 35 m 2 sr TRACER Scintillatori, TRD Cerenkov 2 ~75 m 2 sr giorni AW=5 m 2 sr Z≥ 8

RUNJOB Emulsion chamber on balloon target (～ 10 cm) spacer (～ 20 cm) thin EC(～ 5 c. u. ) diffuser (～ 4 cm) A = 0. 4 m 2; obs time: 1437. 5 h, exposure 575 m 2 h

Spettri dei singoli elementi ottenuti con esperimenti che operano su Pallone Non c’è evidenza di un cambio di pendenza fino a 40 -90 Te. V Eventi previsti per E>1000 Te. V per un volo di 100 giorni Calorimetro 0. 9 m 2 sr TRD 6 m 2 sr H 3 HE 4 Fe 9

Esperimenti Operanti a Terra Esperimento X (g cm-2) CASA-MIA BLANCA 870 Scintillatori Ne Nm Luce Cerenkov Xmax HEGRA 790 Scintillatori Ne Luce Cerenkov Ng Xmax EAS-TOP 810 Scintillatori Ne Tubi Streamer Nm (Em>1 Ge. V) Nh Luce Cerenkov Ng KASCADE 1020 Scintillatori Ne Nm (Em>230 Me. V) Calorimetro Nh Eh MWPC Nm (Em>2400 Me. V) TIBET ASg 606 Scintillatori Ne Emulsioni g-families TUNKA 950 Luce Cerenkov Ng Xmax

NTe. V m/ev EAS-TOP CERENKOV + m (E>1. 3 Te. V) MACRO 250 Te. V 80 Te. V Beams are well defined: • p at Eo < 50 Te. V • p+He at 50 < Eo < 100 Te. V • p+He+CNO at Eo > 100 Te. V • E ≈ 80 Te. V Nmp ≈ Nm. He • E ≈ 250 Tev Nmp ≈ Nm. He ≈ Nm. CNO Same efficiency (inside 15%) in Te. V m production. Relative abundances are not distorted Primary Energy

Results (model unc. < 10%) Extrapolating Jp+He (80 Te. V) at 250 Te. V g = [2. 6, 2. 8] (sfl=12%) Jp+He / Jp+He+CNO (250 Te. V) = 0. 73 ± 0. 18 QGSJET = 0. 66 ± 0. 18 SIBYLL = 0. 70 ± 0. 22 DPMJET = 0. 78 ± 0. 17 QGSJET 5. 61 From JACEE, RUNJOB: Jp(80 Te. V)=(5. 3 ± 1. 1) · 10 -7 m -2 s-1 sr-1 Te. V-1 JHe (80 Te. V): Jp / Jp+He(80 Te. V): (10. 3 ± 4. 2)· 10 -7 m-2 s-1 sr-1 Te. V-1 0. 34 ± 0. 11 QGSJET ( 8. 7 ± 3. 3)· 10 -7 m-2 s-1 sr-1 Te. V-1 0. 38 ± 0. 12 SIBYLL ( 8. 3 ± 3. 3)· 10 -7 m-2 s-1 sr-1 Te. V-1 0. 39 ± 0. 12 DPMJET (12. 7 ± 4. 4)· 10 -7 m-2 s-1 sr-1 Te. V-1 0. 29 ± 0. 09 QGSJET 5. 61 250 Te. V Jp : JHe : JCNO (0. 21 ± 0. 09) : (0. 52 ± 0. 19) : (0. 27 ± 0. 18) (0. 21 ± 0. 11) : (0. 45 ± 0. 19) : (0. 34 ± 0. 22) (0. 23 ± 0. 12) : (0. 47 ± 0. 19) : (0. 30 ± 0. 19) (0. 20 ± 0. 08) : (0. 58 ± 0. 19) : (0. 22 ± 0. 17) QGSJET SIBYLL DPMJET QGSJET 5. 61 Helium dominance

Tutti gli spettri di diverse componenti degli EAS mostrano il “ginocchio”: Ne, Nm, SEh KASCADE SEh Nm Ne EAS-TOP

Spettro della componente “leggera” e “pesante” dei primari KASCADE Solo lo spettro ottenuto con gli eventi “electron rich” mostra il cambiamento di pendenza

Composizione Chimica dei primari attorno al ginocchio EAS TOP I dati degli esperimenti che misurano Nm vs Ne mostrano, indipendentemente dal modello di interazione utilizzato, una variazione della composizione chimica dei primari verso elementi più pesanti

Spettri delle Singole Componenti KASCADE

Gli spettri di tutte le componenti leggere mostrano il cambiamento di pendenza Con un’indicazione che la posizione del ginocchio scali con Z. Non si evidenzia il ginocchio del Fe. Risultati che dipendono molto dal modello di interazione che viene utilizzato.

MACRO EAS-TOP L = p + He H = Mg + Fe Cascata em Macro EAS TOP

Composizione Chimica tramite Xmax (Luce Cerenkov) Questa misura mostra una composizione chimica che tende a diventare più leggera intorno al “ginocchio”

• Tibet ASg misura lo spettro di protoni, selezionando eventi tramite il valore di Ne e il numero di g-families. Lo spettro ha una pendenza 3. 01± 0. 11 • Incertezza sui modelli di interazione – sinel – K inelasticità – m molteplicità Diminuzione di sinel → Xmax cresce

Evoluzioni future: KASCADE-Grande studierà lo spettro e la composizione chimica dei raggi cosmici tra 1016 – 1018 e. V If : Ek, Z = Z * Ek, 1 SEARCH FOR IRON “KNEE” AT ~ 1017 e. V PRIMARY COMPOSITION STUDY OF C. R. INTERACTIONS AT UHE N (> 1018 e. V) ~ 250 (3 y data taking) At the threshold of Auger (High Resolution)

KASCADE-Grande 1016 - 1018 e. V KASCADE

GZK-Effect protons with E>6· 1019 e. V scatter with CMBR 1022 e. V sources need to be within ~ 50 Mpc (z<0. 01) ! (Greisen - Zatsepin - Kuzmin) photo-pion production p + g 3 K D+ p + p 0 ; n + p+ threshold: Ep. Eg > (m. D 2 - mp 2) EGZK≈6· 1019 e. V AGASA PRL 2001 expected for cosmolog. source distribution AGASA, PRL 2001

AGASA 100 km 2 111 rivelatori. Scintillatori 2. 2 m 2 ciascuno Hi. Res 2 “telescopi” per luce di fluorescenza Syst. Uncertainties by both experiments 17% - 18%

Pierre Auger Observatory Surface Array 1600 detector stations 1. 5 km spacing 3000 km 2 Fluorescence Detectors 4 Telescope enclosures 6 Telescopes per enclosure 24 Telescopes total

Rivelatore dell’apparato di superficie (SD) 10 m 2 x 1. 2 m 1. 2 T acqua vista da 3 pmt Dati trasmessi via GPS alla DAQ centrale Ogni rivelatore è alimentato con batterie solari

Evento SD q~ 48º, ~ 70 Ee. V Lateral density distribution

The Fluorescence Detector 3. 4 meter diameter segmented mirror 440 pixel camera

Evento FD stereo ed hybrid; q ~70° Shower Profile ~7· 1019 e. V

Atmospheric Monitoring • LIDAR at each eye • cloud monitors at each eye • central laser facility • regular balloon flights Central laser facility (fibre linked to tank) steerable LIDAR facilities located at each FD eye LIDAR at each FD building Älight attenuation length ÄAerosol concentration Balloon probes (T, p)-profiles

Energy Determination The energy converter: Hybrid Events Strict event selection: track length >350 g/cm 2 Cherenkov contamination <10% Transfer the energy converter to the surface array only events. Log (E/Ee. V) Compare ground parameter S(1000) with the fluorescence detector energy. 10 Ee. V Uncertainty in this rule increases from 15% at 3 Ee. V to 40% at 100 Ee. V 1 Ee. V Log S(1000)

First Auger spectrum ICRC 2005 DE/E~30% DE/E~50%

Risultati Principali e Prospettive 1015 e. V < E < 1018 e. V • Ginocchio osservato negli spettri di tutte le componenti degli EAS • Ginocchio dovuto al cambio di pendenza della componente leggera dei primari (senza dimenticare Tibet ASg) • Composizione chimica dei primari cresce all’aumentare dell’energia • E’ però necessario le differenze tra i risultati ottenuti con tecniche diverse: Ne vs Nm – Cerenkov (Xmax) – componente adronica in alta quota • Anisotropie • Sviluppi futuri: – ricerca del ginocchio della componente pesante dei raggi cosmici – Modelli di interazione (sinel, K, m. . . )

Prospettive E>1018 e. V • Aumentare la statistica (Auger…) • Migliorare la conoscenza degli errori sistematici nella determinazione dell’energia • Composizione • Anisotropie (su un ampio range di energia e in tutto il cielo, i. e Auger Nord) • Ricerca di Sorgenti