Scientific analysis of the NASA astrophysical mission concept SWORD

This thesis deals with the scientific analysis of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs) of the NASA concept mission SWORD. SWORD is the acronym for Orbiting Synoptic Wideband Radio Detector. It is a NASA astrophysical mission concept, developed at the Jet Propulsion Laboratory (JPL) in California. Its purpose is the measurement of UHECRs (> 6×1019 eV) by exploiting their interaction with the Earth’s atmosphere. This work describes first what are UHECRs from a scientific point of view: their energy spectrum, their propagation and some hypotheses on their origin and composition. Then, the NASA mission concept SWORD is presented, along with its payload and subsystems. Subsequently, the thesis describes the analysis carried out to show the interaction of these charged particles with the cosmic microwave background (CMB) and the Galactic and Intergalactic magnetic fields and the resulting scattering. This is one of the main reason why we cannot directly reconstruct the trajectories of cosmic rays and identify their sources. Recent studies on comparison of arrival directions of cosmic rays assuming active galactic nuclei (AGN) as sources have shown correlations with a low level of significance compared to an isotropic distribution of sources. Finally, this work investigates the number of cosmic rays needed to have a highly statistical correlation (5 ) with respect to a AGN source catalogue (anisotropic), given the current knowledge of the Galactic and Intergalactic magnetic fields and the composition of cosmic rays at high energies. This goal has been achieved by searching for the number required to discriminate between an anisotropic and an isotropic distribution of cosmic rays through the variation of the parameters of cosmic rays and magnetic fields.

La tesi riguarda le analisi scientifiche sui raggi cosmici ad alte energie del concetto di missione NASA SWORD. SWORD è l’acronimo di Synoptic Wideband Orbiting Radio Detector (Radio Detector Orbitante Sinottico a Band Larga) e rappresenta un concetto di missione astrofisica della NASA, sviluppato presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL) in California. Il suo scopo è cercare di misurare raggi cosmici ad alte energie (> 6 × 1019 eV) grazie alla loro interazione con l’atmosfera terrestre. In questo lavoro di tesi si è descritto cosa sono i raggi cosmici ad alte energie da un punto di vista scientifico: il loro spettro di energia, la loro propagazione e le possibili ipotesi sulle loro origini e la loro composizione. Si è descritto poi il concetto di missione NASA SWORD per quanto riguarda il carico pagante e i relativi sottosistemi. Successivamente si riporta lo studio e le analisi effettuate riguardo l’interazione di queste particelle cariche con la radiazione cosmica di fondo (CMB) e con i campi magnetici galattici ed intergalattici e la loro conseguente dispersione. Questa dispersione rappresenta la maggior causa della difficoltà nel ricostruire direttamente le traiettorie dei raggi cosmici per poi identificarne le rispettive sorgenti. Recenti studi sul confronto delle direzioni di arrivo dei raggi cosmici e basati sull’ipotesi di nuclei galattici attivi (AGN) come sorgenti, hanno evidenziato correlazioni con basso livello di significatività rispetto a una distribuzione isotropica di sorgenti. Infine, in questo lavoro si è indagato il numero di raggi cosmici richiesto per misurare una correlazione altamente statistica (5sigma ) rispetto ad un catalogo di sorgenti AGN, quindi anisotropica, data la conoscenza corrente del campo magnetico galattico ed intergalattico e la composizione dei raggi cosmici ad alte energie. Tale risultato è stato ottenuto tramite l’analisi della dispersione dei raggi cosmici e la ricerca del numero che permette di discriminare una distribuzione anisotropica rispetto ad una isotropica, variando i parametri propri dei raggi cosmici e dei campi magnetici.