Course Syllabus
Obiettivi
Introdurre la fisica dei Raggi Cosmici e la loro rilevanza in astrofisica, le sorgenti di produzione, gli ambienti e i processi di propagazione.
Al termine del corso gli studenti conosceranno:
- le principali proprietà osservative dei raggi cosmici e le tecniche di rivelazione
- le principali sorgenti di raggi cosmici e le loro proprietà
- come descrivere la propagazione dei raggi cosmici nello spazio
- le connessioni tra raggi cosmici, cosmologia e fisica fondamentale
- le proprietà dell'ambiente spaziale e il rischio di radiazioni
Contenuti sintetici
Sono descritti i Raggi cosmici (RC), con riferimento alle osservazioni sperimentali esistenti, la loro composizione e le loro proprietà. I principali argomenti del corso saranno: l’origine dei RC, le sorgenti astrofisiche e i processi di accelerazione; la propagazione dei RC nella galassia e l’interazione con il mezzo interstellare; la modulazione solare e l’interazione dei RC con il vento solare; l’interazione dei RC con il campo magnetico e l'atmosfera terrestre; la rilevanza dei Raggi Cosmici in fisica fondamentale e in cosmologia.
Programma esteso
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Proprietà osservative dei Raggi Cosmici:
contenuti: distribuzione spettrale, densità di energia e composizione. Principali risultati scientifici ottenuti attraverso l'osservazione dei RC, attività sperimentali in corso da terra e dallo spazio;
competenze: tecniche e strategie osservative dei raggi cosmici. -
L'origine dei Raggi Cosmici:
contenuti: i processi di accelerazione e le principali sorgenti astrofisiche galattiche ed extragalattiche.
competenze: meccanismi di trasferimento di energia verso i raggi cosmici. -
La propagazione dei RC nella galassia e l’interazione con il mezzo interstellare:
contenuti: i modelli diffusivi ed il confinamento, i meccanismi di perdita di energia e la radiazione prodotta dai RC, i processi di spallazione e la produzione della componente secondaria.
competenze: soluzioni analitiche dell'equazione di diffusione; codici numerici di propagazione nel mezzo interstellare.
-La modulazione solare e l’interazione dei RC con il vento solare:
contenuti: l'attività magnetica del sole, l'emissione particellare del sole, la struttura dell'eliosfera;
competenze: soluzioni analitiche dell'equazione di trasporto; codici numerici di propagazione nell'eliosfera. -
L’interazione dei RC con il campo magnetico e l'atmosfera terrestre:
contenuti: i fenomeni di intrappolamento e taglio geomagnetico, la produzione di sciami atmosferici e l'osservazione di RC di altissima energia.
competenze: l'ambiente spaziale ed il rischio di radiazioni; tracciamento di raggi cosmici nel campo magnetico; tecniche di osservazione degli sciami atmosferici. -
La rilevanza dei Raggi Cosmici in fisica fondamentale e in cosmologia:
contenuti: i segnali di nuova fisica, la produzione degli elementi nella nucleosintesi stellare, la ricerca di materia oscura, la ricerca di antimateria cosmologica, i RC di origine extragalattica.
Prerequisiti
conoscenza della fisica di base della laurea triennale
Modalità didattica
Lezioni frontali. Le lezioni saranno erogate in aula con gli studenti in presenza.
Materiale didattico
Testi di riferimento per approfondimenti:
- Materiale ed appunti utilizzati durante le lezioni frontali, fornite dal docente;
- High Energy Astrophysics, M.S. Longair, Cambridge University press, third edition, ISBN 978-0-521-75618-1;
- Space Physics – An introduction, C.T. Russel, J.G. Luhmann, R.J. Strangeway, Cambridge University press, ISBN 978-1-107-09882-4.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Valutazione finale, con voto in trentesimi, attraverso un colloquio orale. Agli studenti verrà chiesto di preparare una presentazione attraverso la quale esporre e discutere un argomento a scelta del corso. Sarà valutata la maturità dello studente, la padronanza dell'argomento esposto e la chiarezza e proprietà nel linguaggio. Inoltre sarà valutata la capacità critica dello studente, attraverso le connessioni tra l'argomento trattato ed altre questioni relative all'insegnamento e a temi generali di competenza del corso di laurea.
Orario di ricevimento
Ogni lunedì lavorativo durante il periodo delle lezioni, dalle 12:30 alle 13:30, salvo aggiustamenti in caso di modifica dell'orario delle lezioni. Negli altri periodi su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
Introduce physics of Cosmic Rays and their relevance for Astrophysics, production sources, propagation environments and processes.
At the end of the course the students will know:
- the main observational properties of cosmic rays and how they are detected
- the main sources of cosmic rays and their properties
- how to describe the propagation of cosmic rays in space
- the connections between cosmic rays, cosmology and fundamental physics
- the properties of space environment and the radiation risk
Contents
Cosmic rays (CR) are described in relation to observations, their composition and properties. Main topics are: origin and astrophysical sources of CR; acceleration processes; interaction with interstellar medium; propagation in the Milky Way; interaction with solar wind; propagation in the heliosphere; interaction with the Earth magnetic field and atmosphere; CR studies in relation to fundamental physics and cosmology.
Detailed program
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Observational properties of Cosmic Rays:
content: spectral intensity, energy density and composition. Main scientific results observing CR, current experimental activities from the ground and in space.
skils: techniques and strategy for cosmic rays observation. -
Origin of Cosmic Rays:
content: acceleration processes, galactic and extragalactic astrophysical sources.
skils: physical mechanisms of energy transfer to cosmic rays. -
Interaction of CR with interstellar medium and propagation in the Milky Way:
content: diffusive models and confinement processes, energy loss processes and electromagnetic radiation from CR, spallation processes and secondary component production.
skils: solutions for diffusion equation; numerical codes of CR propagation in the ISM. -
Interaction with solar wind and solar modulation:
content: solar magnetic activity, solar particle emission, the structure of heliosphere.
skils: solutions for the transport equation; numerical codes of propagation in heliosphere. -
Interaction with Earth magnetic field and atmosphere:
content: radiation belts and geomagnetic cut-off, extensive air showers and observations of highest energy CR.
skils: space environment and radiation risk; CR tracing in the magnetic field; Extensive Air Showers tecniques. -
Relevance of Cosmic Rays for fundamental physics and cosmology:
content: new physics research, production details in stellar nucleosynthesis, Dark Matter, Cosmologic Anti-matter, CRs of extragalactic origin.
Prerequisites
knowledge of the previous courses of physics (bachelor degree)
Teaching form
Front teaching. Lectures with students in presence.
Textbook and teaching resource
Reference textbooks and resources:
- Slides and notes of the lectures, provided by the lecturer.
- High Energy Astrophysics, M.S. Longair, Cambridge University press, third edition, ISBN 978-0-521-75618-1;
- Space Physics – An introduction, C.T. Russel, J.G. Luhmann, R.J. Strangeway, Cambridge University press, ISBN 978-1-107-09882-4.
Semester
Second semester
Assessment method
Final evaluation, with a score up to thirty, through an oral interview. Students will be asked to prepare a presentation through which to present and discuss a topic of their choice from the course. The student's maturity, mastery of the subject exposed and clarity and property in the language will be assessed. Furthermore, the critical ability of the student will be assessed, through the connections between the topic presented with other topics included in the class and to general topics among those treated in the degree course.
Office hours
Tentatively every working Monday during the course, from 12:30 pm to 1:30 pm. Otherwise on request. This calendar is depending on the final lectures timetable.
Sustainable Development Goals
Staff
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Massimo Gervasi
