Development of analysis tools for the MAGIC Telescopes and observation of the Segue 1 Satellite Galaxy with MAGIC-I Telescope.

Il lavoro presentato in questa Tesi è stato svolto nell’ambito dell’esperimento MAGIC durante i tre anni di Scuola di Dottorato all’Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Fisica G. Galilei, in associazione con l’Instituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Padova, sotto la supervisione del Professor M. Mariotti, del Dott. Michele Doro e del Dott. Villi Scalzotto. Il sistema stereoscopico di due telescopi MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov), situato nell’isola canaria di La Palma (Spagna), è basato sulla tecnica IAC (Imaging Atmospheric Cherenkov) per la rivelazione della luce Cherenkov emessa da cascate di particelle cariche che si originano nell’atmosfera terrestre. Tali cascate atmosferiche sono generate preminentemente dai raggi cosmici carichi, quali protoni e isotopi leggeri, che entrano isotropicamente nell’atmosfera terrestre, e da una percentuale di raggi gamma, la cui direzione di provenienza punta direttamente alla regione cosmica di emissione. Grazie a sofisticati algoritmi di riduzione dei dati è possibile estrarre efficacemente il segnale di natura gamma dal quello di natura adronica per energie comprese tra ∼50 GeV e ∼20 TeV, permettendo studi in diversi settori scientifici quali l’Astrofisica galattica ed extragalattica delle alte energie, la Cosmologia e la Fisica delle Particelle Elementari. Le attività scientifiche dell’esperimento MAGIC vengono portate avanti in sinergia e complementarità con gli esperimenti gamma posti su satellite, quali AGILE e FERMI, e quelli posti a terra, quali H.E.S.S., VERITAS eMilagro. I telescopi MAGIC, realizzati da una collaborazione internazionale di circa 150 fisici appartenenti ad una ventina di istituzioni di diversi paesi della comunità europea, rientrano nella seconda generazione di telescopi Cherenkov e presentano rispetto ai precedenti delle caratteristiche innovative legate per esempio alla grandezza della superficie riflettente (circa 250 metri quadri), all’abbassamento della soglia energetica al di sotto dei 100 GeV e alla velocità di puntamento nel caso dell’osservazione di fenomeni improvvisi, come ad esempio l’esplosione di raggi gamma (Gamma Ray Bursts). In particolare, la messa in opera del secondo telescopio MAGIC-II e la possibilità di condurre osservazioni stereoscopiche permettono un abbassamento della soglia energetica ed una sensibilità di circa un fattore 2 superiore a quella ottenuta con il singolo telescopio MAGIC-I. Attualmente, i telescopi MAGIC rappresentano il rivelatore posto a terra più sensibile al mondo per raggi gamma di energie comprese tra ∼50 GeV e ∼150 GeV. Durante il lavoro di dottorato ho svolto la mia ricerca in due principali attività. La prima, di tipo tecnico, ha riguardato l’aggiornamento di una specifica parte del software dell’esperimento MAGIC necessario in vista della presa dati stereoscopica dei telescopi MAGIC (iniziata alla fine del 2009), ovvero il calcolo dell’area efficace collettrice. La seconda, di tipo più prettamente scientifico, è stata rivolta alla possibile rivelazione indiretta di materia oscura con il telescopio MAGIC-I. In particolare, ho contribuito all’analisi dati e alle relative pubblicazioni delle sorgenti osservate dal telescopio MAGIC-I candidate per la ricerca di possibili segnali gamma dovuti ad auto annichilazione di materia oscura, quali le galassie nane satelliti della Via Lattea Draco e Willman 1 e il cluster galattico Perseus. Durante i tre anni di dottorato ho passato complessivamente 4 mesi a La Palma, nel sito dei telescopi MAGIC, come operatore di presa dati. Inoltre nel mese di Giugno del 2009 ho partecipato per 4 settimane alla fase di commissioning del secondo telescopio MAGIC-II. Questo lavoro di Tesi è suddiviso in otto capitoli. Nel capitolo 1 verranno brevemente introdotti la fisica dei raggi cosmici e dei raggi gamma di natura astrofisica, gli attuali metodi sperimentali per la loro rivelazione, i meccanismi attivi nell’Universo per la produzione di raggi gamma di alte energie e le principali sorgenti cosmiche note di raggi gamma. Il capitolo 2 sarà dedicato alla descrizione delle principali caratteristiche fisiche degli sciami atmosferici di natura adronica ed elettromagnetica, alla susseguente emissione di luce Cherenkov prodotta da essi e alla tecnica di rivelazione IAC, su cui i telescopi MAGIC sono basati. Nel capitolo 3 verranno descritte le principali componenti hardware dei due telescopi MAGIC e le innovazioni introdotte per il secondo telescopio. Nel capitolo 4 si discuterà la catena di analisi standard del telescopio MAGIC-I per l’estrazione delle principali quantità fisiche di interesse, quali la significanza del segnale proveniente da una data sorgente e il suo flusso. Successivamente verranno brevemente descritte le principali novità introdotte per la corrente analisi delle sorgenti osservate stereoscopicamente. Le attuali performance del sistema stereoscopico (la cui fase di commissioning è stata portata a termine con successo durante il 2009) saranno inoltre presentate. Nel capitolo 5 verrà introdotta la tematica riguardante la dipendenza alt-azimutale di una delle principali quantità che caratterizzano la rivelazione di luce Cherenkov da parte dei telescopi MAGIC ovvero l’area efficace collettrice. Infatti, se da un lato l’effetto zenitale su tale quantità è ben noto e correlato alla maggiore profondità atmosferica che gli sciami percorrono nel loro sviluppo per angoli zenitali via via maggiori, una possibile dipendenza azimutale è associata agli effetti che il campo geomagnetico induce sullo sviluppo degli sciami stessi e alla particolare configurazione geometrica del sistema di telescopi. La direzione fissa tra di essi, infatti, rompe la simmetria circolare di osservazione tipica delle osservazioni effettuate con un singolo telescopio. Alla luce della messa in funzione del secondo telescopio MAGIC-II e della osservazione stereoscopica delle sorgenti, l’introduzione della dipendenza azimutale dell’area efficace colletrice è stata dunque presa sistematicamente in considerazione e implementata efficacemente nel software di analisi dati dell’esperimento. Saranno riportati inoltre i risultati di test effettuati su campioni di dati Monte Carlo e di dati reali. Nel capitolo 6 verrà fatta una breve introduzione sulla materia oscura: saranno discusse le principali evidenze sperimentali, alcuni modelli che la descrivono e i principali candidati proposti in letteratura per spiegarne la natura. L’attenzione sarà focalizzata sulla ricerca indiretta di materia oscura che si basa sulla possibilità per i telescopi MAGIC di poter rivelare segnali indiretti sotto forma di raggi gamma, provenienti da annichilazione o decadimento di particelle di materia oscura, da parte di sorgenti caratterizzate da alte densità di tale tipo di materia quali, per esempio, galassie nane sferoidali satelliti della Via Lattea. Il capitolo 7 sarà dedicato all’analisi dati dell’osservazione effettuata da parte del telescopio MAGIC-I della sorgente Segue 1, ritenuta essere una galassia nana sferoidale satellite della Via Lattea, la cui cinematica stellare sembra indicare un elevato rapporto massa–luminosità, rendendo tale oggetto celeste estremamente interessante dal punto di vista della recerca indiretta di materia oscura. I dati di tale sorgente hanno richiesto particolare attenzione dovuta al fatto della presenza di una stella di magnitudo apparente 3.5 nel campo di vista della sorgente durante l’intera osservazione. Le tecniche adottate per trattare i problemi legati alla presenza di tale stella saranno illustrati. L’analisi ha permesso di determinare, per energie maggiori di 100 GeV, limiti superiori sul flusso della sorgente assumendo diversi generici spettri di potenza. Un articolo sull’osservazione della sorgente Segue 1 condotta dal telescopio MAGIC-I, basato sui risultati di questa analisi, è in fase di preparazione. Infine, nel capitolo 8, verranno riportate le conclusioni generali su questo lavoro di Tesi.