Course Syllabus
Obiettivi
Gli obiettivi formativi di questo insegnamento includono componenti di acquisizione sia di conoscenze e competenze specifiche sia di sviluppo di competenze trasversali.
L'obiettivo di acquisizione di conoscenze e competenze specifiche riguarda la fisica dei raggi cosmici e la loro rilevanza in astrofisica, le sorgenti di produzione, gli ambienti e i processi di propagazione. Per alcuni argomenti verranno proposti esempi pratici ed esercizi numerici.
L'obiettivo di acquisizione di competenze trasversali include:
- la capacità critica, valutando ad esempio l'impatto dei raggi cosmici e dei relativi processi in ambiti e contesti molto diversi, non solo dal punto di vista della fisica ma anche per le implicazioni pratiche;
- la capacità di comunicare, attraverso la scelta e la preparazione di una presentazione per l'eame;
- la capacità di proseguire lo studio in autonomia, avendo fornito allo studente il quadro aggiornato della ricerca di frontiera in questo campo e le possibili applicazioni.
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
- 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, in cosmologia e in astrofisica.
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 da e 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
Tutte le lezioni sono svolte in presenza, in inglese in modalità erogativa:
- 21 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza.
- su richiesta motivata potrà essere attivata la connessione streaming per connessione da remoto sincrona.
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: da inizio Marzo a inizio Giugno 2026
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Valutazione finale, con voto in trentesimi, attraverso un colloquio orale sugli argomenti svolti a lezione.
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 scelto ed altri temi trattati nelle lezioni o anche a questioni generali di competenza del corso di laurea.
Orario di ricevimento
Ogni venerdì 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
The learning outcomes of this course include components of acquisition of both specific knowledge and skills and development of transversal skills.
The objective of acquiring specific knowledge and skills concerns the physics of cosmic rays and their relevance in astrophysics, the sources of production, the environments and the propagation processes. For some topics, practical examples and numerical exercises will be proposed.
The objective of acquiring transversal skills includes:
- critical capacity, for example, evaluating the impact of cosmic rays and related processes in very different fields and contexts, not only from a physics point of view but also for the practical implications;
- the ability to communicate, through the choice and preparation of a presentation for the exam;
- the ability to continue the study independently, having provided the student with the updated framework of frontier research in this field and the possible applications.
At the completion 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, cosmology and astrophysics.
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 from and 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 basic physics courses provided in the bachelor degree
Teaching form
All lessons are held in person, in english, in delivery mode:
- 21 2-hour lessons held in presence mode.
- on motivated request live streaming will be activated.
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: from beginning of March to beginning of June 2026
Assessment method
Final evaluation, with a score up to thirty, through an oral interview on the topics covered in class.
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 discussed with other topics included in the class and to general topics among those treated in the degree course.
Office hours
Tentatively every working Friday 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
