ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| METODOLOGIE SPERIMENTALI PER LA FISICA DELLE ASTROPARTICELLE | FIS/01 | LEZIONI | 54 |
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Il corso presenta la strumentazione e le tecniche sperimentali per l'osservazione di sorgenti astrofisiche nel dominio delle alte energie. Le diverse strumentazioni sono discusse partendo dagli ordini di grandezza delle quantita' da misurare (flussi, spettri...). I rivelatori di fotoni e di particelle sono trattati come i blocchi fondamentali prima di discutere le loro integrazione in strumentazioni complesse per esperimenti a Terra e dallo spazio. La strumentazione e le tecniche per la fisica delle astroparticelle sono trattati discutendo le diverse regioni come aree di ricerca: astrofisica X, astrofisica gamma, astrofisica con raggi cosmici, astrofisica con neutrini, astrofisica gravitazionale, ricerca di materia oscura. Il corso comprende una parte dedicata al follow-up delle controparti eletromagnetiche di eventi ad alta energia. Una parte del corso e' dedicata agli archivi pubblici di dati di esperimenti di alte energie e ai metodi di analisi dei dati, con esercitazioni in classe su dati (open data) di astrofisica X, astrofisica gamma, di inteferometri gravitazionali.
The course presents the instrumentation and the experimental techniques for the observation of astrophysical sources in the high energy domain. The different instruments are discussed starting from the order of magnitude of the physical quantities to be measured (fluxes, spectra...). The photon and particle detectors are presented as the fundamental building blocks before discussing their integration in complex instruments for ground or space based experiments. The instrumentation and the techniques for astroparticle physics are tackled discussing the different regions as research themes: X-ray astronomy, gamma ray astronomy, cosmic ray astronomy, neutrino astronomy, gravitational astronomy, dark matter searches. The course include a section devoted to the follow-up of electromagnetic counterparts of high energy events. Part of the course is devoted to the public archives of high energy observatories and to the analysis methods, with in class exercise with data (open data) of X ray astronomy, gamma ray astronomy, gravitational interferometers.
Le conoscenze acquisite forniranno agli studenti interessati a lavorare nel campo delle astroparticelle la conoscenza della strumentazione, delle tecniche di osservazione e di analisi di sorgenti astrofisiche ad alta energia per lavorare alla strumentazione, pianificare, eseguire, analizzare ed interpretare le osservazioni.
The skills provided by this course will allow students interested in working in the field of astroparticle physics the knowledge of the instrumentation and the observation and data analysis techniques of high energy astrophysical sources to work with the instrumentation and to plan, execute, analyze and interpret observations.
Corsi della laurea triennale
Courses of Laurea Triennale
Lezioni frontali ed esercitazioni in classe con open data
Lectures and in class exercises with open data
Interazioni radiazione-materia. Interazioni di particelle cariche. Interazioni di fotoni. Orizzonti osservativi. Sciami elettromagnetici e sciami adronici. Produzione di sciami in atmosfera.
Coordinate celesti. Misure di tempo. Osservabilita' di una sorgente. Risorse Internet per l'astrofisica delle alte energie.
Rivelatori di particelle e di fotoni ad alta energia: rivelatori a ionizzazione; rivelatori a stato solido; sistemi di scintillatori; rivelatori Cherenkov e TRD; calorimetri. Misura di proprieta' fisiche: posizione, intervalli temporali, energia, quantita' di moto. Identificazione di particelle.
Astrofisica con raggi X: sorgenti e ordini di grandezza. Telescopi per raggi X soft. Telescopi per raggi X hard. Spettrometri per raggi X. Polarimetria X. Esempi di strumentazione su satellite: Swift, INTEGRAL, RXTE, Chandra, NUSTAR, MAXI, XMM-Newton.
Astrofisica con raggi gamma: sorgenti e ordini di grandezza. Rivelazione diretta di raggi gamma da satellite: sistemi di scintillatori; telescopi Compton; pair conversion telescopes. Osservatori nello spazio: EGRET, Fermi, AGILE. Rivelazione di raggi gamma di alta energia da Terra. Telescopi Cherenkov. MAGIC, HESS, VERITAS, CTA. Air shower arrays: HAWC, Milagro.
Astrofisica con raggi cosmici: sorgenti e ordini di grandezza. Misure dirette di raggi cosmici di bassa energia da satellite. Ricerca di antimateria nello spazio. AMS-02, PAMELA, CALET. Misura di raggi cosmici di alta energia da Terra. Extensive Air Shower arrays: KASCADE, CASA. Rivelazione di radiazione di fluorescenza: HiRes. Rivelatori ibridi: AUGER, TA.
Astrofisica dei neutrini: sorgenti e ordini di grandezza. Rivelazione di neutrini di alta energia. Caratteristiche di eventi di interazione di neutrini. Rivelazione in ghiaccio e in acqua. Telescopi per neutrini di alta energia: IceCube, ANTARES, KM3NeT. Rivelazione di neutrini di bassa energia. Rivelazione di neutrini solari. Rivelazione di neutrini da supernova.
Astrofisica gravitazionale: sorgenti e ordini di grandezza. Rivelatori risonanti. Rivelatori interferometrici. Sorgenti di rumore negli interferometri. Osservatori gravitazionali: LIGO, Virgo, GEO600, KAGRA, LISA. Rivelazione di onde gravitazionali a bassa frequenza.
Materia oscura: ordini di grandezza. Rivelazione diretta di materia oscura. DAMA/LIBRA, CoGent, CDMS, EDELWEISS, Xenon10, DarkSide50. Rivelazione indiretta con osservazioni di raggi gamma e leptoni.
Rapporto segnale-rumore per osservazioni ad alta energia. Tecniche di osservazione. Proposte di osservazione ai satelliti. Analisi statistica. Analisi di serie temporali. Procedure di analisi nelle diverse regioni dell'astrofisica delle alte energie. Software per l'analisi dei dati. Cenni di statistica Bayesiana.
Posizione e localizzazione di sorgenti astrofisiche. Follow-up elettromagnetico di eventi ad alta energia, di neutrini e gravitazionali. Ricerca di controparti ottiche con tecniche di fotometria. Classificazione del tipo di sorgente con tecniche spettroscopiche. Confronto delle tecniche di misura in varie bande dello spettro elettromagnetico. Spectral Energy distribuition (SED).
Radiation-matter interactions. Charged particle interactions. Photon interactions. Horizons for observations. Electromagnetic showers and hadron showers. Production of showers in atmosphere.
Celestial coordinates. Measurement of time. Observability of an astronomical source. Internet resources for hih energy astrophysics.
Detectors for high energy particles and photons; ionization based detectors; solid state detectors; scintillator systems; Cherenkov detectors and TRD; caolrimeters. Measurement of physical properties: position, time intervals, energy, momentum. Particle identification.
X-ray astronomy: sources and orders of magnitude. Telescopes for soft X-rays. Telescopes for hard X-rays. X-ray spectrometers. X-ray polarimetry. Examples of satellite instruments: Swift, INTEGRAL, RXTE, Chandra, NUSTAR, MAXI, XMM-Newton.
Gamma ray astronomy: sources and orders of magnitude. Direct detection of gamma rays with satellite instruments: scintillator systems; Compton telescopes; pair conversion telescopes. Space based observatories: EGRET, Fermi, AGILE.Ground based gamma ray detection. Cherenkov telescopes. MAGIC, HESS, VERITAS, CTA. Air shower arrays: HAWC, Milagro.
Cosmic ray astronomy: sources and orders of magnitude. Direct measurement of low energy cosmic rays from space. Search for antimatter in space. AMS-02, PAMELA, CALET. Measurement of high energy cosmic rays with grouund based systems. Extensive Air Shower arrays: KASCADE, CASA. Detection of fluorescence radiation: HiRes. Hybrid detectors: AUGER, TA.
Neutrino astronomy: sourcces and orders of magnitude. Detection of high energy neutrinos. Signatures of neutrino interaction events. Detection in ice and in water. Telescopes for high energy neutrinos: IceCube, ANTARES, KM3NeT. Detection of low energy neutrinos. Detection of solar neutrinos. Detection of supernova neutrinos.
Gravitational astronomy: sources and orders of magnitude. Resonant detectors. Interferometric detectors. Noise sources in interferometers. Gravitational observatories: LIGO, Virgo, GEO600, KAGRA, LISA. Detection of low frequency gravitational waves.
Dark matter: orders of magnitude. Direct detection of dark matter. DAMA/LIBRA, CoGent, CDMS, EDELWEISS, Xenon10, DarkSide50. Indirect detection of dark matter with gamma rays and lepton observations.
Signal to noise ratio for high energy observations. Observational techniques. Proposal for observing time with satellite instruments. Statistical data analysis. Tme series analysis. Analysis methods in the different regions of high energy astrophysics. Software for data analysis. Bayesian statistics.
Position and localization of astrophysical sources. Electromagnetic follow-up of high energy, neutrino and gravitational events. Search for optical counterparts with photometric techniques. Classification of sources with spectroscopic techniques. Comparison of measurement techniques in the different regions of electromagnetic spectrum. Spectral Energy distribuition (SED).
- De Angelis, Pimenta, Introduction to Particle and Astroparticle Physics
- Lena, Lebrun, Mignard, Observational Astrophysics
- Longair, High Energy Astrophysics
- Poggiani, High Energy Astrophysical Techniques
- Poggiani, Optical, Infrared and Radio Astronomy
- Spurio, Particles and Astrophysics - A Multi-Messenger Approach
- De Angelis, Pimenta, Introduction to Particle and Astroparticle Physics
- Lena, Lebrun, Mignard, Observational Astrophysics
- Longair, High Energy Astrophysics
- Poggiani, High Energy Astrophysical Techniques
- Poggiani, Optical, Infrared and Radio Astronomy
- Spurio, Particles and Astrophysics - A Multi-Messenger Approach
Esame orale
Oral exam
