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UFABC26/8/2010 C. O. Escobar

Desafios da Física de Astropartículas

Public Lecture

4th School on Cosmic Rays and Astrophysics

UFABC Santo André São Paulo – BraziAugust 26, 2010

Carlos O. Escobar IFGW /UNICAMP


Desafios da Física de Astropartículas

●Primeira questão: tratase realmente de uma nova ão: tratase realmente de uma nova disciplina? Não aparece nos PACS da APS!disciplina? Não aparece nos PACS da APS!

●Definição? ASPERA (rede européia):Definição? ASPERA (rede européia):Astroparticle physics is a new multidisciplinary field Astroparticle physics is a new multidisciplinary field

of research that deals with the study of particles of research that deals with the study of particles coming from the Universe.coming from the Universe.

●Definição um tanto vaga e grandiosa.Definição um tanto vaga e grandiosa.Quais são as partículas? Fótons? Neutrinos?Quais são as partículas? Fótons? Neutrinos? Grávitons? Sim, todas elas e muito mais.Grávitons? Sim, todas elas e muito mais. ....


Origens e contextualização cont.ção cont.

Originase na Física de Raios C Física de Raios Cósmicos e assume ósmicos e assume a forma atual quando esta deixa de ser uma a forma atual quando esta deixa de ser uma ferramenta para o estudo da ferramenta para o estudo da Física de Partículas e Física de Partículas e passa a ser encarada como um problema da passa a ser encarada como um problema da astrofísica (Alfven, Fermi, Ginzburg, Syrovatskii, astrofísica (Alfven, Fermi, Ginzburg, Syrovatskii, Hoyle, BurbidgeBurbidge e outros). Por um breve Hoyle, BurbidgeBurbidge e outros). Por um breve período renasce na forma original (UHECR) mas a período renasce na forma original (UHECR) mas a descoberta da supressão no espectro de energia descoberta da supressão no espectro de energia (GZK?) HiRes e Auger (prox. slide) retoma o foco (GZK?) HiRes e Auger (prox. slide) retoma o foco astrofísico astrofísico


Corte GZK?

Auger data


Context. cont.

A primeira Escola Internacional a usar Astroparticle no título ocorreu em Erice em 1987:ítulo ocorreu em Erice em 1987:

First International School in Astroparticle PhysicsFirst International School in Astroparticle Physics

““Recent progress in particle physics, cosmology and Recent progress in particle physics, cosmology and astrophysics has given birth to a discipline that astrophysics has given birth to a discipline that encompasses them all. These embryonary encompasses them all. These embryonary developments are not often covered in an developments are not often covered in an interdisciplinary way. The purpose of this School is interdisciplinary way. The purpose of this School is to cover this gap.”to cover this gap.”


Quais são estes progressos?

Modelos padrão: partpartículas e cosmologia (COBE)ículas e cosmologia (COBE) Astrofísica relativística: astronomia de raioX, gama Astrofísica relativística: astronomia de raioX, gama

em satélites, novos detectores de ondas em satélites, novos detectores de ondas gravitacionais, avanços em Relatividade Geral gravitacionais, avanços em Relatividade Geral NuméricaNumérica

Novas idéias para a detecção direta de matéria Novas idéias para a detecção direta de matéria escura (entra uma “nova” personagem)escura (entra uma “nova” personagem)


O céu em todos comprimentos de ondaéu em todos comprimentos de onda

radio


Desafios atuais (os mesmos de 1987 da escola em Erice)

Elegi alguns desafios apenas, aqueles em que a Física de Raios Cósmicos seja relevante; outros mais no final

Detectabilidade Direta e Indireta da Matéria Escura.

Anisotropias em grande escala em baixas e alatas energias nos RC's.

Fontes isoladas dos UHECR.


Matéria Escura – uma brevíssima introdução

Sua necessidade Sua necessidade éé apontada pela primeira vez apontada pela primeira vez por Zwicky (1933) quando observa que a por Zwicky (1933) quando observa que a dispersdispersão de velocidades de 8 galáxias no ão de velocidades de 8 galáxias no aglomerado de Coma violavam as aglomerado de Coma violavam as expectativas do teo. do virial, levando expectativas do teo. do virial, levando em conta o potencial gravitacional em conta o potencial gravitacional causado pela matéria visível do causado pela matéria visível do aglomerado. Necessidade de mais aglomerado. Necessidade de mais matéria que a luminosa.matéria que a luminosa.


Na escala de galáxias: curvas de rotação.

Supondo lei de Newton para a força gravitacional ( 1/r**2) esperase que a velocidade de rotação do gás e estrêlas a uma distância radial r caia como 1/√M(r)r onde M(r) é a massa incluída na órbita, logo para além do raio contendo toda matéria luminosa v(r) cai como 1/√r

Como são os dados? Galáxias espirais:


Matéria escura(ME) cont.

Análise das curvas de rotação sugerem que 90% da massa nas galáxias é escura.

Como é distribuida esta massa escura?Distribuida por toda galáxia, indo além da região visível da galáxia, Ponto fraco das

teorias de ME.A distribuição nas galáxias muitas vezes é

feita de maneira ad-hoc, não foram observados central cusps e a lei de TullyFisher


TullyFisher cont.

Originalmente descoberta como uma relação entre a luminosidade no azul e a max. Velocidade de rotação no disco da gal. Mais tarde formulada

(McGaugh) como: a massa total em estrêlas visíveis e gás, ou seja a massa bariônica, em uma Gal. tipo disco é proporcional a quarta

potência da velocidade rotacional assintótica (terminal) daquela gal.


TullyFisher

Bekentein astroph1001.3876

Um problema para ME!!


Uma breve introducao a MOND

Ir ao quadro!


Buscas indiretas de ME

Candidatos: WIMPS (weakly interacting massive particles):

The wimp miracleSecção de choque sai das propriedades da ME

nas galáxias e massa da história térmica do universo.

Entre os WIMPS:Neutralino (part. neutra mais leve do MSSMspin

½)KaluzKlein DM (relíquia de dim. extra)


Busca indireta

Aniquilação em e+ e-, p-antiproton

Busca em voos de balão (ATIC), espectrometros mag. orbitais

(Pamela, Fermi) Observam excesso de positrons (ou e+ e-/Atic) com aumento de

energia


Os dados

Feng astroph1003 0904

Cinza: pulsares


Dados cont.

Feng astroph1003 0904


Ultimos dados do FermiLAT, ver:astroph 1008.3999


Conclusão: houve uma reação exageradamente otimista da comunidade

de ME, MSSM, extra-dimensions...


Evidência direta de ME?O caso do Bullet cluster

Sabese que o problema de ME em aglomerados é ainda mais severo que em galáxias

individuais: 100 vezes mais ME que MVME tem sucesso em efeito lente fraco e

recentemente (2006) grande destaque foi dado ao

Bullet cluster (1E 0657-56)


Reação das duas comunidades: ME e MOND

Primeira prova direta, independente de modelo da existência de ME (em oposição a qualquer

teoria de gravitação modificada)...M.Markevitch et al. Astroph

MONDMilgrom: I think it is an overdramatic statement.


Milgromcont.

In fact, it could have been damaging or at least puzzling for MOND had they not found what they did: When two clusters

collide head on the gas components of the two just stick together and stay in the middle, while the rest (galaxies plus

this extra component I spoke of) just go through and stay together. So it's an interesting and informative result, but it is totally expected both in the DM picture and on the basis of

what we know about MOND. I should also mention a recent paper claiming that MOND can actually explain these "bullet"

observations without this extra matter (see http://arxiv.org/abs/astroph/0606216)


Anisotropias de grande escala em RC's

Há quase um século que a origem dos raios cósmicos permanece como um enigma, talvez o enigma que por mais tempo perdura na Física

contemporânea!Claro que existirão diferentes fontes/locais para

diferentes componentes (de acordo com a energia). Mas mesmo os que deveriam ser de

origem galáctica não tem suas fontes claramente identificadas.

Um bom ex. Anisotropia de grande escala observada pelo det. Milagro


Milagro

New Mexico80mx60mx8m agua720 PMT's


Qual o interesse?Anisotropias de grande escala @ 1100 TeV

sondam B na vizinhança & dist. de fontesRC's galácticos

B gal. Isotropiza dir. de chegada, difusão no meio interestelar

Raio de Larmor para B 1nuG: 100 U.A a 1pc << tamanho da galáxia

Tempo de vida na galáxia da ordem de 10e6 anos

Anisotropia possível: difusão para o halo, para fora do disco!


Amplitude e fase do harmonico fundamental


Explicações aventadas

Efeito combinado das componente regular e turbulenta do campo magnético galáctico nas nossas vizinhanças (E. Battaner et al. APJ

703, L90-2009)Uma ferramenta inusitada para estudar

campo magnético galáctico


E os UHECR??

Novidades do Auger: apenas no que diz respeito a fontes. Atualização dos resultados de novembro

de 2007.


Em 2007: 27 eventos E>57EeV 472 AGN;s cat. VCV 318 no FOV circulo de 3.1 graus d< 75Mpc


Como são os dados novos?


Mesmo mapa hoje; 69 eventos E>55EeV


correlacao


Periodo km**2sry N k kiso PI.1/1/0426/5/06 4390 14 8 2.9 II.27/5/0621/8/07 4500 13 9 2.7 2e4III 1/9/0731/12/09 11480 42 12 8.8 0.15

I +II:

15980km **2 sry N= 55 k=21 k_iso= 11.6 P=0.003

NB P e a prob. Binomial cumulativa


Futuro da Área

AUGER: Norte 21000km**2, 4400 tanques(baixa prioridade nas recomendacos PASAG e

Astro2010Decadal Survey)Sul: Radio array, microwave detection of EAS

High elevation Fluorescence DetectorsGround array infill(denser) mais detectores de

muonsExtensao do Sul??? Se as tecnicas acima

derem certo.


Em geral

Forte atividade na Europa (ASPERA) e EUA (Astro 2010 + PASAGcomite)


ASPERA


Grandes esforços em:Determinação da massa do neutrino (Katrin;

betabeta0nu)Deteção direta de ME (1e-48cm**2!!)

Ondas gravitacionaisDecaimento do Proton

Dark Energy(primeira prioridade Astro2010 e PASAG)

CMB: anisotropias e polarizaçãoRadio astronomia: SKA

Cerenkov Telescopes: CTA, AGIS/alta prioridade no Astro2010 e PASAG


Grandes oportunidades cientificas e para a comunidade sulamericana., em particular.Fisica de astroparticulas chegou para ficar:

APS atualize o PACS


FIM

OBRIGADO

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