JEM-EUSO
si basa su tecnologia di punta
Lente di Fresnel #2

Confronto tra JEM-EUSO e i più grandi osservatori al mondo
AGASA

HiRes

Auger (sito Sud) Telescope Array

JEM-EUSO

Organizzazione

Università di Tokyo

Università dello Utah

Consorzio
Internazionale

Università di Tokyoe Università dello Utah

Consorzio
Internazionale

Luogo

Yamanashi, Giappone

Utah, USA

Argentina

Utah, USA

Stazione Spaziale
Internazionale

Tipo di rivelatore

Rivelatori diparticelle a terra

Periodo difunzionamento

1990 - 2004

1997 - 2006

2004 -2007 -Lancio atteso per il
2013150500~7000760

1250001, esperimento
terminato

Nessun evento osservato,esperimento terminato

50 (attesi)
3 (osservati)

10 (attesi)

350 – 1700
(attesi)Elettronica

Lente di Fresnel di precisione

Diaframma a iride

Struttura di supporto del piano focale

Apertura effettiva(km2∙sr)

Rivelatori di piano focale

Frequenza di eventi alleenergie estreme (No./anno)

Telescopi diRilevatori di particelle e
Rilevatori di particelle e
Telescopio diFluorescenza a terra telescopi di fluorescenza a terra telescopi di fluorescenza a terra fluorescenza nello spazio

Le lenti di Fresnel
Lente di Fresnel #1

La Struttura
2.26m

I Rivelatori dipiano focale
6000 fotomoltiplicatori

tIl piano focale è curvo, con un
diametro di 2.26 m, e contiene 6000
fotomoltiplicatori multianodo (PMT)da 1 pollice quadrato ciascuno che
rivelano la luce proveniente dalle
diverse parti dell’atmosfera terrestre. I
fotomoltiplicatori precedenti avevano
una superficie foto-sensibile massimadel 45%. JEM-EUSO e Hamamatsu
Photonics hanno congiuntamente
sviluppato nuovi PMT con un’area
efficace superiore all’ 85%.

Parametri operativi della missione JEM-EUSO
Altitudine

Numero di pixel sulla superficie focale

circa 0.2 milioni

Latitudine e longitudine di osservazione 51°N-51°S per tutte le longitudini

Risoluzione a terra

circa 0.8 km

Campo di vista

60°

Duty Cycle

12-25%

0.2 milioni di km2

Durata temporale della missione

3 (+2) anni

Diametro del telescopio

2.5m

Massa totale~1.9 tonnellate

Sistema ottico

2 lenti sottili curve con scanalature di Fresnel da ambo leparti e 1 lente di Fresnel con ulteriore reticolo di diffrazione

Potenza necessaria< 1kWApertura (circa 400 km

dimensione dellasuperficie al suolo

2.5mt

Il modulo foto-sensibilet

La configurazione di un elemento centrale con petali anulari permette di ottenere una
lente di dimensioni superiori rispetto a ciò che si può fabbricare mediante un’unica macchina.

t

Il Veicolo di Trasferimento sulla
Stazione Spaziale (HTV) della
JAXA trasporterà JEM-EUSO

Giappone

RIKEN, Univ. Konan, Univ. Tecn. Fukui, Univ. Aoyama Gakuin, Univ. Saitama, NIRS, Univ. Tokyo, Univ. Tohoku, ICRR
Univ. Tokyo, KEK, Univ. Chiba, NAOJ, ISAS/JAXA, Univ. Kanazawa, Univ. Nagoya, Lab. STE, Univ. Nagoya, Istituto
Yukawa, Univ. Kyoto, Univ. Kobe, JAERI, Univ. Kinki, Univ. Hiroshima, Univ. Hokkaido

ItaliaUniv. Firenze, Univ. Napoli, Univ. Palermo, Univ. Roma “Tor Vergata”, Univ. Torino, INOA/CNR, IASF-PA/INAF,IFSI-TO/INAF, INFNFrancia

APC, CNRS, IN2P3

Germania

MPI Monaco, Univ. Tubinga, MPI Bonn, Wuerzburg, Univ. Erlangen

SpagnaUniv. Alcalà

Coreadel Sud

Univ. Ehwa W., Univ. Ajou, Univ. Yonsei, Univ. Nazionale Chonnam

MessicoICN-UNAM, BUAP, UMSNH

RussiaSINP MSU, Dubna JINR

Svizzera

Osservatorio di Neuchatel

USA

NASA/MSCF, UAH, LBL UCB, UCLA, Univ. Vanderbilt, Univ. Arizona

Alla frontiera dell’astronomia usando l’atmosfera della Terra come un gigantesco Osservatorio
Un osservatorio spaziale dell’universo estremo a bordo del modulo sperimentale giapponese

Collaborazione JEM-EUSO
GIAPPONEITALIA

Computational Astrophysics Laboratory, RIKENDipartimento di Fisica Generale, Università di Torino
Via. P. Giuria, 1 – 10125 Torino, Italia
Fax : +39-011-6707493
Tel : +39-011-6707491
E-mail : galeotti@to.infn.it

2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198 Giappone
Tel : +81-48-467-9417
Fax : +81-48-467-4078
E-mail : jem-euso-staff@riken.jp URL : http://jemeuso.riken.jp/t

Il modulo HTV sarà lanciato dal vettore H-IIB
della JAXA e trasporterà autonomamente
JEM-EUSO sulla ISS. Il braccio meccanicodella ISS aggancerà JEM-EUSO al modulo“Kibo” della JEM.

)

Partner internazionali

Il piano focale

Il Lancio
La superficie dei fotomoltiplicatori
ha un’area attiva dell’85%, con
6×6 pixel per un’area complessiva
di 26.2 mm2.

Il telescopio di JEM-EUSO usa lenti di Fresnel. Una lente diFresnel è una lente quasi piatta con scanalature circolari econcentriche che eliminano la grande massa necessaria per
una lente concava o convessa standard per le stesse
applicazioni. Una lente leggera e sottile è necessaria per
un’applicazione spaziale, fornendo le stesse prestazioni ottichedi una lente spessa e pesante. JEM-EUSO utilizza due lenti sottili
curve con scanalature di Fresnel da ambo le parti e una lente diFresnel con un ulteriore reticolo di diffrazione, tutte dimateriale plastico trasparente ai raggi UV. Così progettato, il
sistema ottico permette la massima efficienza con il più ampio
campo di vista. Ciascuna delle tre lenti ha diametro di 2.5 m, edè composta da una parte centrale di 1.5 m e una corona esternadi lenti anulari.

È composto da 164 moduli
foto-sensibili.

La superficie focale di 2.26 m di diametroè coperta da matrici di 6×6 = 36 fotomoltiplicatori per modulo foto-sensibile per
un totale di 5904 PMT.

I fotomoltiplicatori

Permettono un ampio campo di vista e sono
molto più leggere delle lenti tradizionali

Il Veicolo di Trasferimento sulla Stazione Spaziale (HTV) in avvicinamento alla ISS ©JAXA

Con il contributo del Ministero Affari Esteri, Direzione Generale per la Promozione e la Cooperazione Culturale

L’Origine

L’Osservatorio Spaziale dell’Universo Estremo – EUSO –a bordo del Modulo Sperimentale Giapponese – JEM

JEM-EUSOAGASAGli eventi più energetici osservati
al mondo

Stazione Spaziale Internazionale (ISS)*1020 eV: 16 Joules, cioè l’energia necessaria per riscaldare 1cc di acqua di 16 °C.

Gamma Ray Burst ©BeppoSAX Team

L’Osservazione

La teoria della relatività ha un limite?
Esistono processi fisici o oggetti ancora sconosciuti?
particelle di altissima energia ad una distanza minore di 50 Mpc dalla
nostra galassia. Queste sorgenti potrebbero includere le note radiogalassie più luminose (Centauro-A o M-87 della Vergine), o potrebbe
trattarsi di oggetti sconosciuti. Se nessuno di questi eventi così energetici
provenisse dalla direzione di un qualche oggetto astrofisico noto, allora si
potrebbe prendere in considerazione il fatto che la teoria della relatività oqualche altro principio fondamentale della fisica non sia più valido inqueste condizioni. Le osservazioni condotte sino ad oggi potrebbero anche
non essere corrette, pertanto il mistero sull’esistenza di queste particellecosì energetiche richiede ulteriori e decisive esplorazioni.

JEM-EUSO è stato progettato per dare una risposta decisiva circa
l’esistenza del taglio GZK e per identificare l’origine astronomica deiprimari. JEM-EUSO potrà osservare fino a 1000 particelle con energia
superiore a 7×1019 eV in tre anni di misura. L’energia e la direzione di arrivo
saranno determinate accuratamente per chiarirne l’origine.
Il modulo sperimentale giapponese (JEM) ospiterà JEM-EUSO sulla
Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Questo osservatorio astronomico

non sarà diretto verso lo spazio esterno, bensì verso il basso e inquadrerà
la superificie terrestre. Mentre un tipico telescopio astronomico punta
l’Universo, JEM-EUSO osserverà lo spazio rivolgendosi verso la Terra
usando l’atmosfera terrestre come il più grande rivelatore mai impiegato
dagli scienziati per capire l’origine di queste particelle così elusive.
JEM-EUSO è dunque un nuovo tipo di osservatorio astronomico, piùprecisamente, un telescopio astronomico “che osserva la Terra”.

L’astronomia mediante le particelle cariche che pervadono l’Universo

Le particelle cariche di bassa energia sono deviate dai campi magnetici presenti nello spazio galattico eintergalattico. L’informazione direzionale della loro origine è dunque persa. Al contrario, le particelle di piùalta energia sono debolmente deviate, e pertanto conservano l’informazione sulla direzione di arrivo equindi della loro locazione di origine. Per questa ragione, le particelle più energetiche sono messaggeri delcosmo per le osservazioni astronomiche, come la luce visibile, i raggi X, e l’infrarosso.
Sono state suggerite diverse sorgenti per i raggi cosmici di alta energia: i possibili candidati includono
Supernovae, Gamma-ray Burst, Nuclei Galattici Attivi, pulsar, e collisioni recenti dei buchi neri centrali supermassicci di Radio Galassie. La maggior parte di questi candidati è però incapace di accelerare le particelleoltre i 1020 eV mediante un qualsivoglia meccanismo fisico noto. Si pensa che ci debba essere un qualcheignoto meccanismo di accelerazione, o addirittura un processo diverso dall’accelerazione in grado diprodurre queste energie estreme.

Raggiocosm

icodiergiatre

maL’energia di frontiera – al di là della fisica di LHC
Sciame Atmosferico

Sciame Atmosferico

iniutrNeIl più grande acceleratore mai costruito dall’uomo, il “Large Hadron Collider” (LHC), ha iniziato afunzionare nel 2008. Genererà particelle di alta energia per esplorare questioni ancora aperte di fisica
fondamentale. I raggi cosmici di energia più elevata sinora osservati hanno energie nel sistema dellaboratorio di più di tre ordini di grandezza superiori rispetto a quelle ottenibili con LHC. Lo studio dellafisica fondamentale può quindi essere esteso alle energie di frontiera mediante la misura delle particellecosmiche di più alta energia osservabili con JEM-EUSO.

19

10 eV

20

10 eV

Le particelle cariche di bassa energia sono deviate
e spiralizzano nei campi magnetici, ma quelle al disopra dei 1020 eV procedono lungo traiettorie
pressoché rettilinee con una limitata influenza daparte dei campi magnetici, mantenendo, pertanto,l’informazione sulla loro direzione di arrivo originaria.

Il monitoraggio dei fenomeni atmosferici luminosi dell’intero pianeta

JEM-EUSO potrà osservare eventi di tipo transiente di luminescenza atmosferica del cielo notturno: adesempio i lampi, le meteore, e i fenomeni di luminescenza atmosferica. I lampi avvengono tra le nuvole otra Terra e nuvola. Alcuni dei più incredibili eventi di luminescenza sono fenomeni di scarica elettrica cheavvengono su larga scala negli strati più alti dell’atmosfera, chiamati blu-jets, sprites, ed elves. Questi
eventi fuoriescono dalle nuvole diretti verso lo spazio esterno. Sarà possibile monitorare la frequenza e lalocalizzazione su scala planetaria di questi fenomeni per aiutarci a capire le cause di eventi così stimolanti.
Infine, lo studio delle meteore, piccoli corpi solidi provenienti dallo spazio che penetrano
nell’atmosfera terrestre, e in particolare l’osservazione delle loro dimensioni e spettri di fluorescenza,
potrà essere di valido aiuto nello studio degli asteroidi che li hanno generati, e delle altre sorgenti nelsistema solare.

Un’interessante scarica elettrica: un fenomeno diCarrot Sprite.

tsulla Stazione Spaziale Internazionale esploral’origine delle particelle di energia più elevata presenti nell’Universo.
tL’atmosfera terrestre fotografata dallo Space Shuttle ©NASA

18

10 eV

I neutrini interagiscono debolmente con la materia e non sono soggetti al taglio GZK. Nessun evento èstato sinora osservato a causa della bassissima probabilità di interagire con gli attuali rivelatori di massa
limitata. JEM-EUSO potrebbe osservare questi neutrini alle energie estreme, poiché l’intera atmosferadella Terra costituisce un bersaglio sufficientemente massiccio da permettere l’interazione e dunquel’osservazione di qualche evento all’anno.

Raggi ultravioletti di fluorescenza

esSimulazione della mappa del cielo ottenibile con
JEM-EUSO (1000 eventi). I multipletti si raggruppano
indicando la posizione della sorgente.

La ricerca di neutrini di più alta energia

L’atmosfera terrestreenI risultati scientifici del telescopio spaziale JEM-EUSOt

Osservando la Terra dalla
Stazione Spaziale Internazionale

La Sfida

I raggi cosmici che urtano l’atmosfera terrestre collidono con i nuclei atmosferici
e generano numerosi elettroni, mesoni e raggi gamma. Le particelle secondarie,
attraversando l’atmosfera, producono un’ulteriore generazione di particelle.
L’intera “traccia” dell’evento è chiamata “Sciame Atmosferico”. Un raggio cosmico
di 1020 eV genera 100 miliardi di particelle, che incidono su di una superficie aterra di ben 3 km di raggio.
Gli elettroni dello sciame eccitano le molecole di azoto presenti nell’atmosfera
causando l’emissione istantanea di numerosi fotoni di fluorescenza ultravioletta
lungo la traccia. JEM-EUSO cattura questa luce e fotografa lo sviluppo dellosciame ad intervalli temporali di pochi microsecondi (milionesimi di secondo)
come una velocissima video-camera digitale. L’aumento e la diminuzione
dell’intensità luminosa della traccia lungo la traiettoria di uno sciame
atmosferico che procede verso la superficie terrestre contiene l’informazione
dell’energia e della direzione d’arrivo del raggio cosmico incidente.

tLo Spazio

Catturare i raggi ultraviolettidi uno sciame atmosferico

Radio galassia ©NRAO
Tra i possibili candidati quali sorgenti di particelle di energia estrema vi sono anche
corpi stellari ancora sconosciuti.

L’assorbimento delle particelle di più alta energia è stato predetto teoricamente da Greisen, Zatsepin e Kuz’min (taglio GZK) sulla base del fatto chel’universo è pervaso da una radiazione di fondo nella regione dellemicroonde (CMB) – l’impronta più evidente del Big-Bang. I raggi cosmici
più energetici collidono con il CMB con un libero cammino medio di 150
milioni di anni luce (50 Mega parsec), fino a che la loro energia si riduce a
4×1019 eV (nell’ipotesi che la teoria della relatività ristretta di Einstein sia
valida per qualsiasi energia e ovunque nell’intero universo).
Il fatto che particelle con energia di gran lunga superiore al taglio GZK
siano state osservate mette in discussione le nostre attuali conoscenze difisica e astrofisica. Una possibilità è che ci siano rilevanti sorgenti diPer osservare i rarissimi eventi alle energie estreme è necessaria una grande area dicampionamento. L’Istituto di Ricerca sui Raggi Cosmici dell’Università di Tokyo haJEM-EUSO inclinato
400km
appena ultimato la costruzione nello Utah, USA, dell’esperimento “Telescope Array”,
JEM-EUSO
con un’area di 760 km2, come successore di AGASA. Il più grande apparato
attualmente in funzione, attivo dal 2004 in Argentina, con una superficie di 3500AGASA 10km
km2, è il Pierre Auger Observatory (Pierre Auger è il nome dello scienziato franceseJEM-EUSO sarà posto sul
che per primo scoprì l’esistenza degli sciami atmosferici nel 1938). Gli osservatori a
Auger 50km
modulo “Kibo” (JEM) della ISS,Terra sono limitati dal fatto che possono osservare l’emisfero australe o boreale, mae orbiterà attorno alla Terracon un periodo di 90 minuti a non entrambi contemporaneamente.
circa 400 km di altezza.
I grandi osservatori a Terra hanno praticamente raggiunto le massime dimensioni
possibili per rivelatori di questo tipo. Un osservatorio spaziale di tipo remote-sensing,quale JEM-EUSO, compie un vero passo da gigante circa le dimensioni della superficie osservabile, da 100.000 a 500.000 km2 aseconda dell’angolo di puntamento (più di 1000 volte AGASA), sfruttando il fatto di trovarsi nello spazio a 400 km di altezza e con
un ampio campo di vista (60°). Inoltre la ISS sorvola entrambi l’emisfero nord e sud. Una osservazione uniforme dell’intero cielo
ad opera di un solo strumento di misura permette così di cercare eventuali correlazioni con tutti gli oggetti celesti a noi noti.

Pulsar ©NASA et al.

tIl Mistero

Espolosione di una Supernova ©NASA et al.

L’apertura supera di più di1000 volte quella di AGASA

tOgni secondo e ogni metro quadrato la superficie terrestre è bombardata
da migliaia di particelle cariche, chiamate raggi cosmici. Il loro flusso
diminuisce al crescere dell’energia. Le previsioni teoriche indicano che ilflusso di raggi cosmici di energia superiore a 4×1019 eV debba essere
fortemente soppresso a causa della perdita di energia che essi subisconointeragendo con il fondo cosmico di microonde che pervade l’universo.
Dopo la scoperta nel 1962 di un evento da 1020 eV* ad opera di John
Linsley, altri simili eventi furono osservati negli anni ’90
dall’Akeno-Giant-Air-Shower-Array (AGASA) dell’Università di Tokyo e dagli
esperimenti Fly’s Eye/Hi-Res dell’Università dello Utah. L’origine di queste
particelle così energetiche è sconosciuta e allo stesso tempo affascinante,e attrae un enorme interesse scientifico.

Il Grande Balzo

Modulo Sperimentale Giapponese“Kibo” (JEM)

Foto fornita da Koji Ito (Suginami-ku Tokyo).