Master de Física Fundamental Física de Astropartículas Física de Rayos Cósmicos Juan Abel Barrio Uña Curso 06/07 Universidad Complutense de Madrid

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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