Astrofísica de altas energías

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1 Astrofísica d altas nrgías Un ión cósmico d nrgía suprior a V al ntrar n la atmósfra intracciona con los átomos d las capas altas d ésta, producindo una racción nuclar qu da como rsultado una sri d partículas y ntr llas otro ión psado fragmnto dl primro; stas partículas y l sgundo ión colisionan con otro átomo atmosférico y así sucsivamnt, dando lugar a una racción n cadna, qu produc una spci d cascada, qu s va nsanchando a mdida qu pntra n l air. La cascada s manifista mdiant un frnt d partículas qu s adntra n la atmósfra, d tal forma, qu sta actúa como un amplificador d partículas. La profundidad y l tamaño qu alcanza dpndn d la naturalza y la nrgía dl ión incidnt qu, n un porcntaj muy lvado, s un protón. Podmos dcir qu la atmósfra s la qu actúa como matrial frnador. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 1 Monitors d nutrons Prtndn l conociminto dl nivl d la radiación xtratrrstr n la suprfici d la Tirra. Para consguirlo xist una sri d stacions distribuidas por todo l globo trráquo, qu con instrumntos normalizados midn l aumnto d la radiación cuando un ión cósmico incid n las capas altas d la atmósfra. Los monitors d nutrons son snsibls a los nutrons producidos por ions incidnts d nrgías ntr 1 y 20 GV. A st nivl d nrgía nos dan información sobr las intraccions d los rayos cósmicos galácticos con l plasma y los campos magnéticos n la hliosfra y sobr la producción d rayos cósmicos solars, así como d los fctos gomagnéticos, atmosféricos y ambintals qu stos pudn producir. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 2 1

2 Monitors d nutrons Un monitor d nutrons stá compusto por un dtctor qu s un contador proporcional d gas con su funt d alimntación y la lctrónica d amplificación y almacnaminto asociada. El dtctor stá rodado por un tubo d plomo y todo ncapsulado n un contndor d politilno. El conjunto s nsambla n grupos d 3 contadors para mjorar la calidad d la mdida. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 3 Monitors d nutrons J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 4 2

3 Monitors d nutrons Los nutrons producidos n la atmósfra por l ión cósmico pntran l politilno y l plomo dond son frnados alrddor d 1/40 d su nrgía, a la qu intraccionan con l gas (normalmnt 3 H) dl contador producindo partículas cargadas, cuyos impulsos léctricos son rcogidos por un amplificador y almacnados digitalmnt. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 5 Monitors d nutrons Exist una furt influncia d la actividad solar Curva infrior: rsultados dl monitor d nutrons d la Univrsidad d Dlawar tin n la bas McMurdo (Antártida). Curva suprior: actividad solar n sus ciclos d 11 años. Curvas n oposición d fas, sto s dbido a qu la actividad solar aumnta l cutoff nrgético d pntración d los ions n la hliosfra. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 6 3

4 Monitors d nutrons J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 7 Monitors d nutrons Sucso d PES dl 15 d abril d 2001 Curvas supriors: protons mdidos por l satélit GOES 10 Curvas infriors: valors d nutrons rgistrados a nivl dl sulo por difrnts monitors d nutrons. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 8 4

5 Monitors d nutrons Mdida dl aumnto a nivl dl sulo (GLE). 11 horas (UT) dl 28 d octubr d horas (UT) dl 2 d novimbr d J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 9 En dos ssions d la Acadmia d Cincias d París n junio y julio d 1938 Pirr Victor Augr, Roland Maz y Thérès Grivt-Myr prsntaron los rsultados d sus xprimntos ralizados n una trraza d la Escula Normal Suprior. El xprimnto consistía n contadors sparados ntr sí a difrnts distancias, con l objto d obtnr coincidncias qu no furan dbidas al azar. Los rsultados coonfirmaban la xistncia d rayos cósmicos d ultra altas nrgías, qu para l grupo d Augr dbrían alcanzar los V. Estas partículas nrgéticas producirían una sri d intraccions n cascada al ntrar n la atmósfra, dando lugar a una sri d partículas sparcidas n un ára xtnsa qu son las qu rgistrarían los contadors d manra coincidnt, qu, l grupo d Augr ddujo, dbrían alcanzar las 10 3 partículas. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 10 5

6 1) Colisión dl ion incidnt con un núclo d la atmósfra, principalmnt nitrógno y oxígno. Las partículas cradas son, básicamnt, pions cargados y nutros. El ión pird, n mdia, la mitad d su nrgía, pudindo fragmntars n ions scundarios mnos psados. 2) Colisión d los fragmntos, o dl ión suprvivint, d forma similar. 3) Dsintgración inmdiata d los pions nutros n pars d fotons d alta nrgía (rayos gamma), los cuals pudn producir pars d lctrons qu, a su vz, pudn producir rayos gamma vía brmsstrahlung. Esto constituy una cascada lctromagnética. 4) Colisión d los pions cargados, similars a las dl ion incidnt, pro más profundas n la atmósfra. 5) Dsintgración d los pions cargados n muons y nutrinos. nivl dl mar: 80% muons nuclons (1/3 nutrons) lctrons, positrons y fotons J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 11 Rayos cósmicos: Cascadas xtnsas n la atmósfra a) una cascada d nuclons (componnt hadrónica) próxima a la trayctoria qu hubira sguido la partícula d no habr intraccionado (dnominada j), rodada d dos grupos d partículas subatómicas rápidas, obtnidas por dsintgración, b) la componnt muon-nutrino y c) la componnt lctromagnética. D sta manra la nrgía transportada por l ión primario incidnt s rpart ntr muchas partículas, actuando, la atmósfra, como un amplificador d partículas. Las difusions coulombianas d los lctrons y los ángulos d misión d las partículas producn la xtnsión d la cascada n una gran suprfici. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 12 6

7 J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 13 Forma d la cascada 1) La dnsidad d partículas crc con la nrgía dl ión incidnt, a cualquir distancia dl j. 2) Esta dnsidad s mayor n l j y dcrc rápidamnt d una manra simétrica radial dsd st. 3) El númro d partículas crc a mdida qu progrsa n la atmósfra, hasta alcanzar un valor máximo, dond la cración s compnsa con la absorción, dcrcindo postriormnt. 4) El valor máximo dl númro d partículas s proporcional a la nrgía dl ión primario. D una forma aproximada y por trmino mdio, un protón incidnt d V d nrgía, pud crar una cascada d, alrddor, d partículas. 5) El frnt d partículas tin forma cilíndrica, y su xtnsión spacial s proporcional a la nrgía dl primario. A nivl dl mar para las más nrgéticas, su anchura varía, dsd pocos mtros n l j a algunos cntnars d mtros a distancias d 1 km. J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 14 7

8 Espctro d nrgía d la RC J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 17 Espctro d nrgía d la RC El cutoff GZK: límit d nrgía producido por funts ljanas 50 Mpc (1 pc=3, m) 5, V J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 18 8

9 Dtctors E<10 17 V alrddor d la rodilla J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 19 Dtctors JACEE: J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 20 9

10 Dtctors J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 21 Dtctors JACEE12: 1994 J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 22 10

11 Dtctors J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 23 Dtctors J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 24 11

12 Dtctors dircta fluoroscncia J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 25 Dtctors Volcano Ranch (NMEEUU); MIT 1962: V Havrah Park (Gran Brtaña) Sidny (Australia) 1969 Yakutsk (Rusia) modificado n Fly s Ey; U. d Utah; 1991: 3, V 2000 HiRs 1991 AGASA 11 sucsos d E> V 1995 AUGE, 2000 Malgü (Argntina) Colorado (EEUU) J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 26 12

13 Dtctors Yakutsk Augr Fluorscnc Dtctors 4 Tlscop nclosurs 6 Tlscops pr nclosur 24 Tlscops total Surfac Array 1600 dtctor stations 1.5 km spacing 3000 km 2 J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 27 Dtctors HiRs J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 28 13

14 Dtctors Augr J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 29 Rsultados composición ions (%) E (V) H H 25, CNO 11,4 13, Z Z 20 7,6 15, F 2,0 9, lna 0,98 1,50 1,68 1,57 2,14 2,32 2,43 2,44 1,18 0,69 J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 30 14

15 Rsultados spctro d nrgía J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 31 Rsultados spctro d nrgía J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 32 15

16 Rsultados procdncia J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 33 Física bajo tirra Muons ALEPH J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 34 16

17 17 Física bajo tirra Nutrinos atmosféricos vida mdia pions cargados = 26 ns π vida mdia muons = 2,2 s ( ) ( ) 2,, N N N N n un gran dtctor s producn lctrons y muons qu s dtctan por fcto Chrnkov n agua: t f i d í l l t π π J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 35 transfrncia d nrgía a los lctrons intracción nutrino-nuclón ' ' N N N N Física bajo tirra Nutrinos atmosféricos J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 36

18 Física bajo tirra Nutrinos solars cadna protón-protón nutrinos lctrónicos J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 37 Física bajo tirra Nutrinos solars d cada nutrino/cm 2 s producidos por l Sol sólo uno v la Tirra dtctors basados n galio Ga G GALLEX Gran Sasso SAGE Rusia dtctors basados n cloro prcloritilno C 2 Cl Cl Ar Homstak Min USA dtctors basados agua Supr-Kamiokand Japón J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 38 18

19 Física bajo tirra J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 39 Física bajo tirra Profundidad d algunos laboratorios bajo tirra. La lína s la intnsidad vrtical d muons cósmicos n roca stándar J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 40 19

20 Física bajo tirra Kamiokand J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 41 Física bajo tirra J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 42 20

21 Física bajo tirra Macro: Gran Sasso J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 43 Física bajo tirra Fréjus J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 44 21

22 Física bajo tirra Baksan J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 45 Física bajo tirra Nutrinos galácticos y xtragalácticos 99,99% π 0 p N π π π N' π 0,01% π 0 p N π π π N ' π sistmas binarios producción y propagación n MIE y dtcción J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 46 22

23 Física bajo agua J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 47 Física bajo agua Baikal J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 48 23

24 Física bajo agua Amanda polo sur J. Mdina Astrofísica d altas nrgías 49 24

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