JEM-EUSO

Responsabile: Mario E. Bertaina

L’origine e la natura dei raggi cosmici alle energie estreme (E > 5*1019 eV) rimane un mistero nella fisica astroparticellare contemporanea. Una decrescita molto marcata nel flusso della radiazione cosmica ad energie superiori a 5*1019 eV e’ stata osservata sperimentalmente da apparati a Terra quali HIRES, Telescope Array ed Auger. Questo risultato e’ compatibile con il cosiddetto effetto Greizen-Zatsepin-Kuzm’in dovuto all’interazione di un raggio cosmico alle energie estreme con la radiazione fossile di fondo prodotta in seguito al Big Bang primordiale. Nonostante cio’, il cutoff cosi’ marcato nel flusso osservato a ∼ 1020 eV potrebbe essere dovuto ad un limite intrinseco delle sorgenti astrofisiche responsabili dell’accelerazione dei raggi cosmici a queste energie. Dare una risposta a questo mistero non e’ facile a causa del flusso estremamente basso, dell’ordine di alcuni eventi per km2 per secolo ad energie superiori ad E > 5*1019eV. 

L’esperimento JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory nel Japan Experiment Module) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, e’ la prima missione spaziale dedicata alla ricerca e studio dei raggi cosmici alle energie estreme. Questo strumento orbitera’ attorno alla Terra ogni 90 minuti all’altezza di circa 400 km. JEM-EUSO osservera’ le cascate di particelle (Sciami Atmosferici Estesi, EAS), quali elettroni e fotoni, prodotti in atmosfera dall’interazione di un raggio cosmico primario proveniente dallo spazio con i nuclei dell’atmosfera. JEM-EUSO catturera’ la traccia dell’EAS che penetra l’atmosfera, osservando i fotoni ultravioletti prodotti durante lo sviluppo della cascata.

Il telescopio JEM-EUSO ha un campo di vista molto grande (±30°) ed e’ costituito da tre lenti di Fresnel e registra la traccia di un EAS con una risoluzione temporale di 2.5 microsecondi ed una risoluzione spaziale di circa 0.5 km (corrispondente a 0.075 gradi). Questa sequenza temporale di immagini permette la determinazione dell’energia e direzione della particella primaria. Il piano focale del telescopio di JEM-EUSO e’ formato da circa 6,000 fotomoltiplicatori multi-anodo per un totale di piu’ di trecento mila pixels.

In questo modo JEM-EUSO puo’ ricostruire la direzione del raggio cosmico di energia estrema con un’accuratezza di alcuni gradi. La sua apertura corrisponde a Terra ad un cerchio di raggio 250 km circa e ad una massa d’aria entro il cono di 60° di piu’ di 1012 tonnellate. Il bersaglio per neutrini up-going, cioe’ provenienti dal centro della Terra, supera le 1013 tonnellate. L’apertura istantanea di JEM-EUSO e’ circa 100 volte superiore a quella attualmente raggiunta dagli apparati a Terra.

16 Paesi, piu’ di 70 Istituti e circa 300 ricercatori collaborano a JEM-EUSO, con il supporto  delle piu’ importanti Agenzie Spaziali Nazionali ed Internazionali, nonche’ degli istituti di ricerca nazionali. In Italia, JEM-EUSO e’ anche finanziato dal Ministero Affari Esteri.

La collaborazione JEM-EUSO e’ attualmente coinvolta nel testare due prototipi della missione principale: EUSO-Balloon e EUSO-TA.

EUSO-Balloon e’ un esperimento su pallone stratosferico realizzato in collaborazione con l’agenzia spaziale francese CNES. E’ dotato di una PDM (Photon Detection Module con 2304 pixels) completa di JEM-EUSO e di un sistema ottico costituito da tre lenti di Fresnel realizzate con le stesse caratteristiche di quelle previste per JEM-EUSO. Lo strumento sara’ installato su una gondola e trasportato da un pallone stratosferico ad un’altezza di volo di circa 40 km. Sara’ rivolto verso il nadir monitorando l’atmosfera terrestre in un campo di vista di 12 per 12 gradi. Il primo lancio e’ previsto ad Agosto 2014.

EUSO-TA e’ un telescopio formato da una PDM (identica a quella di EUSO-Balloon) e due lenti di Fresnel. La struttura meccanica del telescopio e’ stata realizzata dall’INFN Torino ed e’ stata installata al sito di Telescope Array nello Utah, USA, nel 2013.  EUSO-TA misura la luce UV (290 – 430 nm) in atmosfera nel campo di vista di ± 4 gradi e sara’ triggerata dai rivelatori di fluorescenza di TA. Utilizzera’ il LIDAR e l’ Electron Light Source di TA per la calibrazione assoluta. Gli scopi sono di ottenere una calibrazione end-to-end del prototipo, ed una inter-calibrazione con il rivelatore di fluorescenza di TA. In prospettiva lo strumento sara’ successivamente installato anche al sito di Auger per una cross-calibrazione tra i sistemi di Auger e TA.

Mario E. Bertaina

Via Giuria 1, IV piano – stanza D1
Tel +39 011.6707492
mario.bertaina@to.infn.it

Per maggiori informazioni:

Sito Collaborazione Internazionale: http://jemeuso.riken.jp

Sito Italiano: http://jem-euso.roma2.infn.it

Sito di Torino: http://jemeuso.to.infn.it

Sito EUSO-Balloon: http://euso-balloon.lal.in2p3.fr