Master de Física Fundamental Física de Astropartículas Física de Rayos Cósmicos Juan Abel...

Master de Física FundamentalMaster de Física Fundamental

Física de AstropartículasFísica de Rayos Cósmicos

Juan Abel Barrio UñaCurso 06/07

Universidad Complutense de Madrid

Juan Abel Barrio Uña, UCM, Curso 06/07 Física de Astropartículas, Master de Física Fundamental2

Índice: Índice: bottom-upbottom-up

Evidencia experimental

Modelos vs. Evidencias Sistema solar Propagación Fuentes Aceleración

Conclusiones


Física de AstropartículasFísica de Astropartículas

p

e 0

+

pp

Física de Rayos Cósmicos:

Auger

Antares

E < 1019

eV

E > 1019

eV

MAGIC

AMS


Física de AstropartículasFísica de Astropartículas

p

e 0

+

pp

Física de Rayos Cósmicos: bottom-up

Auger

Antares

E < 1019

eV

E > 1019

eV

MAGIC

AMS


ÍndiceÍndice



Conclusiones


Espectro RC primarios

– Ley de potencias ~ 10 décadas

– Índice espectral ~ 2.7 - 3

– Rodilla, tobillo

– Corte GZK

Espectro de rayos cósmicos (RC)

Evidencia experimentalEvidencia experimental

Modulación solar

– E < 20 GeV

– Anticorrelación CR – act. Solar

– 11 años

– Todos los CR

IndirectobservationsIndirectobservations


ISM

Abundancias en los RC


Abundancias E < 20 GeV– H, He: CR < ISM

– Li, Be, B: CR >> ISM

– Sub-Fe: CR > ISM

– Efecto par-impar nuclear

Abundancia isotópicas– Separación isotópica

– Relojes cósmicos ( 10Be, 26Al)

Abundancias E > 10 TeV– Difícil de medir

– ¿ Fe @ E > 1015 eV ?

A


Otras medidas de CR


Densidad de energía

– CR ~ 0.5 eV cm-3

– B ~ 0.2 eV cm-3

Isotropía

– ~ 0.1 % - E < 1015

– ~ 5 % - 1015 < E < 1019

– ~ 50 % - E > 1019

Indirectobservations

Antimateria

– p / e+

– He detección negativa

Secondary production(Bergstrom & Ullio 1999)Diffusion model ± 25-50%CAPRICE98 p flux


ÍndiceÍndice



Conclusiones


Sistema SolarSistema Solar

p

e 0

+

pp

Interacción CR – Sistema Solar

E < 1019

eV

E > 1019

eV 100 UA


Interacción viento solar - tierra

Sistema SolarSistema Solar

Bloqueo de flujo magnético

– B / p+ plasma “unidos"

– p+ ~ 5 keV cm-3 ~ 50 B

Viento solar

– Emisión de gas ionizado: p+

– 350 km s-1, 107 m-3 , 106 K

– Actividad solar Modulación

Ondas de choque

– Viento Solar / magnetosfera

– vp+ ~ 10 vA = B / (0)1/2 Alfvén


ÍndiceÍndice



Conclusiones


PropagaciónPropagación

p

e 0

+

pp

Interacción CR – ISM / IGM

E < 1019

eV

E > 1019

eV



Interacción CR – ISM / IGM

Medio intergaláctico

– n ~ 6 m-3

Medio interestelar

– n ~ 1 cm-3

– Estructura de la galaxia

300 pc


Expalación


Expalación

– Interacción CR - p+(ISM):

Abundancias

– ISM vs. RC

– RC primarios: estrellas

ISMe

CRISMCR

e

npX

XBHC

,,,: 0

10112


Confinamiento


yc

eNtENN

ttEN p

esct

esc

esc 10·3 ; ),( ; ),( 6/

0

Confinamiento

300 pc

Espesor atravesado por CR

– Abundancias Expalación

p+ ~ 3 g·cm-2; Fe ~ 10 g·cm-2

– 1/2 (10Be) =1.5·106 y

– Isotropía

– Leaky Box: Halo

– (Vial Láctea) ~ 10-3 g·cm-2


Difusión

– Dispersión Alfvén (B Plasma)

– Coef. difusión:

Ecuación de transporte I


300 pc

ijj

j

jiiiiiiiii

i NP

NptEQENuENEbE

NDt

trEN

,·,,

esc

iii

NND

3/vD D

– Leaky Box:


Ecuación de transporte II


Aceleración / pérdida energía

300 pc

ijj

j

jiiiiiiiii

i NP

NptEQENuENEbE

NDt

trEN

,·,,

dtdE

Ebi

Convección

Fuente

EEQ


Desaparición

Ecuación de transporte III


1exp E

PNN

LMML

LML

M

L

300 pc

ijj

j

jiiiiiiiii

i NP

NptEQENuENEbE

NDt

trEN

,·,,

iii

vp

1

– Colisión / desintegración:

Aparición

– Pji: Expalación j i

– j: Vida media expalación j

Abundancias relativasISM

1exp25.0 E

PNN

LMML

LML

M

L


Otros aspectos


Corte GZK

npp CMBUHE ,0

– Eth ~ 1020 eV

– ~ 10-28 cm2

– CMB ~ 400 cm-3 d ~ Mpc

Potencial ionización

– FIP(H, He) > 10 eV

– Fuentes


ÍndiceÍndice



Conclusiones


FuentesFuentes

p

e 0

+

pp

Producción de RC

E < 1019

eV

E > 1019

eV


300 pc

300 pc

Candidatos estandar

FuentesFuentes

Consideraciones energéticas

Campo acelerador

E eVpcR

GB

EtB 10· 1 1

/ 20max

kpckpcdRV

sergV

P

D

R

CRDCR

4 15

/ 10·4

22

41

– SN y SNR:

%10 ; 30 ; / 10·5 ; 10

/ 10·33

42

yskmM

sergP

Sol

SN

– Pulsars / AGNs

plas

mas


Candidatos exóticos

FuentesFuentes

Defectos topológicos

– 0-D: Monopolos

– 1-D: Cuerdas cósmicas

– 2-D: Membranas cósmicas

Desintegración

Emax ~ 1020 eV

Agujeros negros primordiales

– Evaporación via Rad. Hawking

– Emax ~ 1020 eV / M(kg)

Partículas supermasivas primordiales

Se necesitan muchos


ÍndiceÍndice



Conclusiones


AceleraciónAceleración

p

e 0

+

pp

Aceleración de RC

E < 1019

eV

E > 1019

eV


Generalidades


Transferencia de energía:

– Frentes de choque (estocástica)

– Directa


~ 1 km

Requisitos

– N(E) Q E -x; x ~ 2.2 - 3

– Emax ~ 1020 eV

– Abundancias

Tycho SNR - Radio

~ 5 pc


esc

esc

escesc

nesc

nm

mesc

nescnperm

nn

PPE

EEN

EE

PPP

PEN

EE

nPPEE

1ln1

1ln ;

111

1lnln ; 1 ; 1

1

0

0

0,0

Aceleración en frentes de choque I


Mecanismo de Fermi

– E = E por encuentro

– Pesc por encuentro

1

2

3

n

– n encuentros


– V = c= -u1+u2: gas “chocado” respecto a “no chocado”

Aceleración de Fermi de 1er orden

– Encuentro con frente de choque

Aceleración en frentes de choque II


21 uuV

1

2

0

12

221

,1

221

221

1

1 ; 4

1

4 ;

34

34

11

coscoscoscos1

21

EE

ENcu

MM

cu

Pcuu

EE

EE

A

esc

2

1u

2u

– u2 : gas “chocado” alejándose respecto al frente

– -u1 : frente de onda

E2

E1

Dispersión Alfvén


Aceleración de Fermi de 1er orden

Energía máxima


2

21 uuV

1

1u

2u

E2

E1

Dispersión Alfvén

– Emax ~ Z·100 TeV

ATuZeBcu

E 11

max 203

Otros aceleradores

– SN en viento: ~ 1016 eV / n

– SN en viento en binaria: ~ 1019 eV / n

– Reaceleración en pulsar: ~ 1017 eV / n

– Pulsar extremo: ~ 1019 eV / n

– AGN (radio jet): Emax ~ 1020 eV / n


ConclusionesConclusiones





ConclusionesConclusiones

Origen de los CR

Galáctico

300 pc Extragaláctico

– Abundancias

– Espectro E < 1019 eV

– Relojes cósmicos

– Isotropia E < 1019 eV

– Espectro E > 1019 eV

– Isotropia E > 1019 eV

¡¡¡ Vaya con Don Enrico !!!

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