Visoko energetske kozmike zrake Pierre Auger observatorij Tome

Visoko energetske kozmičke zrake Pierre Auger observatorij Tome Antičić Institut Ruđer Bošković Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 1/37

Astročestična fizika na IRBu IRB, svjetan novih trendova u znanosti, radi iskorak u astročestičnoj fizici MAGIC experiement - Gama zrake 50 Ge. V do 30 Te. V Pierre Auger experiement - Nabijene čestice iznad 1 Ee. V Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 2/37

Evolucija svemira danas UHECR Visoko Energetske kozmičke zrake Veliki prasak Introduction anticic@irb. hr Vrijeme nakon velikog praska Silicon Silicon 3/37

Što (ne)znamo o visoko energetskim kozmičkim zrakama • • • Kozmičke zrake su visoko energetske nabijene čestice koje pljušte na površinu planete. 85% protoni, 12% He, 2% elektroni, 1% teže jezgre. Ultra-visokoenergetske kozmičke zrake su one koje imaju energije iznad 1018 e. V (1 Ee. V). • Znamo – energije (do 1020 e. V). – energijski spektar • Ne znamo: – Gdje su stvoreni – Kako su stvoreni/ubrzani – Kako sa tako velikim energijama mogu proći tako velike udaljenosti – Što su (protoni, teže jezgre, fotoni, neutrini) – Da li su kozmičke zrake deflektirane magnetskim poljima • Možemo li raditi astronomiju kozmičkim zrakama? ? Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 4/37

flux kozmičkih zraka vs energija Auger projekt fokusiran na najvišim energijama koje se mogu dosegnuti. Joule po čestici! Teniska loptica 60 km/sat • jedna čestica u stoljeću po km 2 Introduction anticic@irb. hr Silicon energija Silicon 5/37

Aktivna Galaktička Jezgra Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 6/37

Interakcije sa kozmičkom mikrovalnom pozadinom p+ CMB p + 0 n + + Za energije For energy > 5 * 1019 Greisen, Zatsepin-Kuzmin (GZK) Cut Off Čestice > 5 * 1019 e. V Moraju biti < ~ nekoliko*50 Mpc udaljeni Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 7/37

Putanja kozmičkih zraka do naše galaksije Nabijene čestice su deflektirane: • • međuzvjezdanim galaktičkim poljem u našoj galaksiji (~0. 5 kpc, 2μG) E=1018 e. V intergalaltičkim magnetskim poljem (1. 0 Mpc, 1 n. G) E=1019 e. V Low-energy cosmic ray sky • ~1020 e. V E=1020 e. V • Astronomija kozmičkih zraka Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 8/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom? Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 9/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom? Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 10/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom? Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 11/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom? Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 12/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom? Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 13/37

Kako visoko energeske kozmičke zrake interagiraju sa atmosferom? Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 14/37

Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 15/37

electrons/positrons photons muons neutrons Djeluje nemoguće. . . Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 16/37

Površinski detektori • veliki skup detektora (scintilatori, tankovi vode, etc) • detektiri mali dio čestica na površini • Pljusak detektiran samo na površini, razvoj pljuska u atmosferi se ne vidi. • razlika u vremenu dolaska – putanja • energija i kompozicija ovisi o MC simulaciji, koja ovisi o ekstrapolacijama hadronskih modela na niskim energijama ex: AGASA • • • 111 Electron Detectors 100 km 2 27 Muon Detectors 0 Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 4 km Silicon 17/37

Florescentni detektori • Nabijene čestice u pljusku pobude molekule dušika u atmosferi. • Dušik se vrati u prvotno stanje, ali šalje u svim smjerovima UV zrake (80% između 300 i 450 nm). • Florescentna svjetlost se detektira sa fotomultiplikatorima po noći. Pljusak se vidi serijom detektora. • Detektira se progres pljuska (vremenski i energijski – količina svjetlosti je proporcionalna broju čestica u pljusku). • Operacija samo u noći, bez mjeseca i bez prašine i bez oblaka (oko 10% vremena) • Potreba za dobrim znanjem atmosferskih uvjeta (aerosoli, atmosfersko monitoriranje nužno: T, P, oblaci) • Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 18/37

Pierre Auger Observatorij Auger sjever planiran u Coloradu 1938 Pierre Auger otkriva pljuskove prouzročene kozmičkim sudarima u atmosferi 17 Zemalja 70 Institucija ~400 znanstvenika Auger jug je ovdje. Malargue je mali grad u pampama u Argentini blizu Anda. Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 19/37

Pierre Auger Observatorij Hibridni detektor • • Auger spaja površinske i florescentne detektore. 1600 površinskih detektora razdvojeni 1500 m. 4 florescentna detektora. • 3000 km 2 površina. • http: //www. auger. org Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 20/37

Površinski detektor Communications antenna GPS antenna Electronics enclosure Solar panels Battery box 3 9 inch photomultiplier tubes looking into the water collect light left by Introduction the particles Silicon anticic@irb. hr Silicon Plastic tank with 12 tons of very pure water Silicon 21/37

Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 22/37

4 x 6 floroscentnih teleskopa Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 23/37

The fluorescence telescope 30 deg x 30 deg view per. Silicon telescope Silicon Introduction anticic@irb. hr Silicon 24/37

Atmosfersko praćenje steerable LIDAR facilities located at each FD eye Central laser facility (fiber linked to tank) LIDAR at each FD building Älight attenuation length ÄAerosol concentration Balloon probes (T, p)-profiles Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 25/37

Događaj u florescentnom detektoru • Signal and timing time Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 26/37

Događaj u površinskom detektoru 18 detectors triggered Typical flash ADC trace at about 2 km Detector signal (VEM) vs time (µs) θ~ 48º, ~ 70 Ee. V Lateral density distribution PMT 1 PMT 2 PMT 3 Flash ADC traces -0. 5 0 0. 5 Introduction anticic@irb. hr 1. 0 1. 5 2. 0 µs Silicon 2. 5 3. 0 Silicon Silicon 27/37

hibridni događaj longitudinal profile Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 28/37

Prvi 4 -struki hibridni događaj 20 svibanj 2007 Signal u sva 4 florescentna detektora i u 15 površinskih detektora! 20 svibanj 2007 Introduction anticic@irb. hr Silicon E ~ 1019 e. V Silicon 29/37

REZULTATI- spektar energija >1019. 6 > 1020 Exp 132 +/- 9 30 +/- 2. 5 Obs 51 2 Slope = -2. 62 ± 0. 03 Calibration unc. 18% FD syst. unc. 22% 5165 km 2 sr yr ~ 0. 8 full Auger year GZK cutt off! • sharp suppression in the spectrum is seen for the last energy decade 18. 6 • pure power with. Silicon 6σ ( E > 10 1019 e. V ) 30/37 Introduction Silicon law is rejected Silicon e. V ) and Silicon 4σ ( E > Silicon anticic@irb. hr

REZULTATI- Auger kemijska kompozicija Vjerojatno nisu samo protoni Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 31/37

• REZULTATIAuger mapa najenergičnijih događaja II. The UHECR Sky is anisotropic New data confirms correlation with AGN clustering. Chance probability: 2× 10 -3 AGN Cen A 472 AGN with z < 0. 018 (red crosses), 27 cosmic ray arrival directions with 3. 1º circle, color indicates relative. Silicon exposure, position of Cen. A (white cross). Silicon Introduction Silicon anticic@irb. hr 32/37

Što to znači? • anisotropija! (izvor joše nepoznat) • Intergalaktičko B-polje malo, kosmičke zrake dobri za mapiranje bliskog svemira Početak “astronomije nabijenih čestica”! Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 33/37

Što očekujemu u budućnosti? Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 34/37

Astronomija pomoću kozmičkih zraka? Low-energy cosmic ray sky 0º Introduction anticic@irb. hr Silicon 5º Silicon 35/37

Budućnost- Sjeverni Pierre Auger u Coloradu Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 36/37

Down-going neutrinos Neutrinska Astrofizika Old hadronic shower Young neutrino shower Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 37/37

Earth-skimming neutrinos Neutrinska Astrofizika Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 38/37

Auger (and Hi. Res) neutrino limits Implications for Neutrino Astrophysics Pierre Auger Collaboration 2008, PRL submitted, ar. Xiv: 0712. 1909 (Hi. Res limits from: K. Martens for the Hi. Res Collaboration 2007, ar. Xiv: 0707. 4417) Introduction anticic@irb. hr Silicon Silicon 39/37