Fisica Astroparticellare a Bari
All’interno dell’INFN vengono svolte differenti attività che spaziano su un ampio spettro di argomenti di fisica astroparticellare. L’ente di ricerca è coinvolto in molti esperimenti in cui i ricercatori delle sezioni locali studiano i raggi cosmici, i neutrini e raggi gamma di alta energia. L’obiettivo principale di queste ricerche è arrivare ad una migliore comprensione dei misteri irrisolti dell’universo, spaziando dallo studio sull’origine e l’accelerazione dei raggi cosmici, all’asimmetria tra materia e antimateria, allo studio della natura della materia oscura, ai i meccanismi che originano i Gamma- Ray Burst e la loro connessione con la produzione di onde gravitazionali.
Le attività di ricerca in fisica delle astroparticelle dell’ INFN sono coordinate dal CSN2.
Di seguito vengono elencati gli esperimenti nei quali i ricercatori della sezione locale di Bari sono attualmente coinvolti.
HERD High Energy cosmic-Radiation Detection
L’esperimento HERD (High Energy cosmic-Radiation Detection) è una proposta scientifica di una facility di osservazione per l’astrofisica spaziale che verrà installata a bordo della futura stazione spaziale cinese (China’s Space Station, CSS) con l’obiettivo di rilevare i raggi cosmici carichi in un range energetico da pochi GeV all PeV e raggi gamma fino all’ordine del TeV.
I principali obiettivi scientifici dell’esperimento HERD sono la ricerca di particelle di materia oscura, lo studio della composizione chimica dei raggi cosmici e l’osservazione di raggi gamma ad alta energia.
La facility HERD infatti, sarà in grado di estendere con una elevata precisione le misurazioni delle singole specie di particelle che compongono i raggi cosmici, aumentando così la statistica di osservazione attuale ad elevate energie (dell’ordine del PeV), raggiungendo il “ginocchio” dello spettro dei raggi cosmici.
Questo esperimento sarà inoltre in grado di osservare anche la radiazione gamma nel range energetico tra centinaia di MeV fino a 1 TeV, contribuendo all’astronomia multi-messaggero in sinergia con i telescopi di raggi gamma di alta energia presenti a terra e con i rivelatori di neutrini e di onde gravitazionali.
Lo schema progettuale del progetto HERD prevede la presenza di un calorimetro cubico per immagini 3D (CALO) che verrà equipaggiato superiormente e sui quattro lati con tracciatori a fibre scintillanti (Fiber Tracker, FIT). Il CALO e il FIT saranno inoltre circondati esternamente da un rivelatore a silicio per la misura di carica (Silicon Charge Detector, SCD) e da un rivelatore a scintillatore plastico (Plastic Scintillator Detector, PSD). Il compito principale del detector SCD sarà quello di avere misurazioni accurate della carica assoluta delle particelle incidenti (|Z|); mentre il PSD verrà impiegato per l’identificazione di gamma di bassa energia e per una misura complementare al SCD della carica delle particelle incidenti. Il FIT verrà impiegato per il tracciamento delle particelle e la misurazione della loro carica, mentre il CALO verrà impiegato per la ricostruzione energetica e la discriminazione e/p. Infine un rilevatore di radiazioni di transizione (Transition Radiation Detector, TRD) verrà installato lateralmente per la calibrazione con nuclei al TeV.
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Responsabile locale: Gargano Fabio
FERMI
Il Fermi Gamma-ray Space Telescope è un osservatorio spaziale di raggi gamma di origine astrofisica aventi energia tra gli 8 keV e alcune centinaia di GeV.
Il satellite Fermi è dotato di due strumenti: il Gamma-ray Burst Monitor (GBM), sensibile alle basse energie fino a poche decine di MeV, utilizzato per lo studio dei fenomeni transienti, ed il Large Area Telescope (LAT), sensibile a più alte energie, a partire dai 20 MeV. Il LAT è anche in grado di rivelare elettroni e positroni cosmici di energia fino ad alcuni GeV.
Fermi mira a studiare i meccanismi di accelerazione delle particelle e l’emissione della radiazione elettromagnetica nelle sorgenti locali (Sole e corpi celesti del Sistema Solare), galattiche (pulsar, resti di supernovae) ed extragalattiche (Nuclei Galattici Attivi, galassie, cluster di galassie, lampi gamma).
Inoltre, utilizzando i dati raccolti dal satellite Fermi, è possibile individuare e studiare eventuali sorgenti di raggi gamma non ancora identificate e studiare la radiazione gamma diffusa sia di natura galattica che extragalattica. Infine, Fermi potrebbe rivelare indirettamente particelle di materia oscura, qualora i loro stati finali di decadimento o annichilazione contenessero fotoni o coppie elettrone-positrone.
Responsabile locale: Loparco Francesco
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DAMPE DArk Matter Particle Explorer
DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) è una delle missioni su satellite facenti parte del programma di Scienze Spaziali dello “Strategic Pioneer Research Program” della CAS (Chinese Academy of Sciences). DAMPE è stato lanciato il 17 Dicembre alle 08:12 (Ora di Pechino) verso un’orbita eliosincrona ad un’altitudine di 500 km.
DAMPE è un telescopio spaziale ad alta precisione per la rivelazione di raggi gamma di alta energia, elettroni e raggi cosmici. DAMPE è costituito da un doppio strato di barredi scintillatori plastici (PSD) che fungono da rivelatore di anticoincidenza, seguiti da un tracciatore-convertitore di Silicio-Tungsteno (STK), costituito a sua volta da 6 piani traccianti a doppio strato; ogni piano consiste di due piani di rivelatori a strip di silicio a singola faccia posti in modo tale da misurare le due viste ortogonali, perpendicolari alla direzione di puntamento dell’apparato. Tre strati di piastre di Tungsteno di spessore 1 mm sono inserite nella parte anteriore degli strati traccianti 2, 3 e 4 per favorire la fotoconversione. L’STK è seguito da un calorimetro profondo circa 31 lunghezze di radiazione costituito da 14 strati di barre di BGO (Bismuth Germanium Oxide) organizzati in maniera odoscopica. Uno strato per la rivelazione di neutroni è posizionato sul fondo del calorimetro. Lo spessore totale del calorimetro a BGO e dell’ STK corrisponde a circa 33 lunghezze di radiazione, rendendolo il più profondo calorimetro mai usato nello spazio. Infine in modo tale da rivelare i neutroni ritardati prodotti dallo sciame adronico e migliorare il potere di separazione elettrone/protone, un NUD (NeUtron Detector) è posto subito sotto il calorimetro. Il NUD è costituito da 16 piastre di scintillatore plastico drogate al Boro, spesse 1 cm e larghe 19.5×19.5 cm2, ognuna accoppiata da un fotomoltiplicatore.
Il principale focus scientifico di DAMPE è quello di misurare elettroni e fotoni con la più alta risoluzione e range energetico mai raggiunta da altri esperimenti spaziali, in modo tale da poter misurare eventuali segnali di Materia Oscura. DAMPE ha anche il grande potenziale di poter portare avanti la comprensione sull’origine e il meccanismo di propagazione dei raggi cosmici di alta energia così come per le nuove scoperte riguardanti l’astronomia gamma delle alte energie. DAMPE ha una sensibilità e un range energetico senza precedenti per elettroni, fotoni e raggi cosmici (protoni e ioni pesanti). Per quanto riguarda elettroni e protoni, il range di rivelazione è tra 5 GeV e 10 TeV, con una risoluzione energetica di circa 1.5% a 100 GeV. Per i raggi cosmici, il range di rivelazione è tra 100 GeV e 100 TeV, con una risoluzione energetica migliore del 40% a 800 GeV. Il fattore geometrico è circa 0.3 m2 sr per elettroni e fotoni, e circa 0.2 m2 sr per i raggi cosmici. La risoluzione angolare è 0.1 a 100 GeV
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Responsabile locale: Gargano Fabio
T2K
studia come i neutrini cambiano tipo (“sapore”) viaggiando per 295 km dalla costa del Pacifico fino alle alpi giapponesi. Lì, sotto le montagne, è presente Super-Kamiokande: un enorme serbatoio cilindrico di ~ 40x40x40 m3, riempito d’acqua ed equipaggiato con rilevatori di luce molto sensibili per misurare le caratteristiche dei neutrini.
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Responsabile locale: Radicioni Emilio
KM3NET
E’ un gigantesco osservatorio del cosmo realizzato sul fondo del Mediterraneo e finalizzato allo studio delle proprietà dei neutrini e alla ricerca di neutrini di altissima energia provenienti dal cosmo.
Comprende due apparati: ARCA, in costruzione a 3500 metri di profondità al largo delle coste siciliane di Capo Passero, e ORCA, al largo delle coste francesi di Tolone.
Nel buio degli abissi marini sensori sensibilissimi raccolgono i debolissimi lampi di luce dovuti alla propagazione in acqua di particelle di alta energia prodotte dall’interazione dei neutrini.
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Responsabile locale: Marco Circella
CTA Cherenkov Telescope Array
Il progetto del Cherenkov Telescope Array (CTA) è un’iniziativa per la costruzione dello strumento di rivelazione a terra di raggi gamma di altissima energia di nuova generazione. Servirà da osservatorio aperto ad un’ampia comunità di astrofisici e renderà possibile approfondire gli studi sull’Universo non termico alle alte energie.
Gli obiettivi di CTA possono essere suddivisi in tre macro aree, che rappresentano gli obiettivi scientifici chiave: comprendere l’origine dei raggi cosmici e il loro ruolo nell’universo, comprendere la natura e la varietà dei meccanismi di accelerazione intorno ai buchi neri e la ricerca della natura profonda della materia e della fisica oltre il Modello Standard. CTA esplorerà approfonditamente il nostro Universo nei raggi gamma di altissima energia (Very High Energy, VHE, E > 10 GeV) e indagherà processi cosmici non termici in stretta cooperazione con osservatori che operano a diverse lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico, e diversi messaggeri come raggi cosmici e neutrini. CTA sarà uno strumento chiave per il follow-up di transienti nelle altissime energie (VHE), grazie a una sensitività, una rapidità di risposta e una capacità di monitorare un’ampia porzione di cielo operando in scan-mode senza precedenti.
L’Osservatorio CTA (CTAO) sarà composto da oltre 100 IACT (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes) suddivisi in due array, uno nell’emisfero nord all’“Observatorio del Roque de los Muchachos” (La Palma, Isole Canarie, Spagna), che già ospita i telescopi MAGIC, e uno nell’emisfero sud, a meno di 10 km a sudest del già esistente Osservatorio Europeo del Sud (ESO) presso l’Osservatorio Paranal nel deserto Atacama in Cile. CTAO avrà una sensitività maggiore di un ordine di grandezza e avrà una maggiore copertura in energia (da qualche decina di GeV fino a 100 TeV) rispetto agli attuali IACT.
I due array saranno composti da una combinazione di telescopi di diverse dimensioni, i grandi (LST), i medi (MST) e i piccoli (SST) telescopi, che copriranno diversi intervalli di energia, rispettivamente meno di 100 GeV, da 0.1 a 10 TeV e oltre 10 TeV. In particolare, il sito nell’emisfero nord, dove le regioni interne della Via Lattea non sono visibili, sarà focalizzato su sorgenti extragalattiche da essere osservate nelle basse e medie energie. Di conseguenza questo array sarà composto unicamente da LST e MST. Il sito nell’emisfero sud, avendo un punto di osservazione privilegiato sulla ricca regione centrale della nostra Galassia, coprirà un intervallo di energie maggiore utilizzando tutti i tre tipi di telescopi.
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Responsabile locale: Elisabetta Bissaldi
MAGIC Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov
L’attuale generazione di Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT), composta da H.E.S.S., MAGIC e VERITAS, negli ultimi anni ha spianato la strada dell’astronomia gamma dalla terra, osservando il cielo gamma ad energie oltre qualche decina di GeV.
Questa tecnica di imaging è basata sulla rivelazione mediante telescopi a terra della luce Cherenkov emessa dallo sciame elettromagnetico generato dall’interazione dei raggi gamma con l’atmosfera. Grazie alla forma dell’immagine Cherenkov ricostruita, è possibile distinguere efficientemente la natura della particella primaria (p o γ) che ha dato inizio allo sciame, consentendo di ottenere risultati eccellenti in questo ambito. Da questa ricostruzione è possibile determinare lo sviluppo longitudinale e laterale dello sciame, oltre alla direzione di arrivo e l’energia del raggio gamma primario.
Fra i tre esperimenti IACT più importanti attualmente operativo, i telescopi di MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) svolgono un ruolo fondamentale, avendo la superficie riflettente più grande di tutti i telescopi gamma esistenti al mondo. Ciascun telescopio è costituito da quasi 1000 specchi, per un totale di una superficie di 17 m di diametro di forma parabolica. I due telescopi, solitamente operati in modalità stereo, si trovano a 2250 m sul livello del mare, all’osservatorio del Roque de lod Muchacos, a La Palma, isole Canarie, Spagna, e distano 85 m l’uno dall’altro.
Grazie alle grandi dimensioni dei telescopi, MAGIC consente di rivelare raggi gamma anche di bassa energia, fino a poche decine di GeV. Inoltre, rispetto ad altri telescopi Cherenkov, questi telescopi hanno una struttura in fibra di carbonio rinforzata che li rende leggeri e veloci nel ripuntamento. Questa caratteristica permette a MAGIC di collaborare con altri osservatori, in particolare con satelliti a largo campo visivo, per osservare in tempi brevi l’emissione di fenomeni rapidamente variabili, come per esempio i flare di Nuclei Galattici Attivi (AGN) o l’emissione di Gamma-Ray Bursts (GRB), che sono fra le sorgenti di radiazione elettromagnetica più luminose nell’Universo.
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Responsabile locale: Elisabetta Bissaldi
