Misura della vita media del muone negativo in Ioduro di cesio

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I raggi cosmici (RC) sono principalmente fasci di
protoni, particelle alfa, elettroni, nuclei atomici
(fino al ferro), γ-rays e neutrini ad alta energia
(fino a 1021 eV) provenienti dallo spazio interstellare.
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Sono stati scoperti nel 1912 quando l’unica particella
nota era l’elettrone, e Niels Bohr non aveva ancora
presentato la sua teoria atomica.
Victor Hess osservò che la conduttività elettrica
dell’atmosfera terrestre poteva essere attribuita a
fenomeni di ionizzazione causati dall’interazione
con una radiazione energetica … inoltre, osservò
che la ionizzazione dei gas atmosferici aumentava
all’aumentare dell’altitudine, quindi, ne dedusse che
la radiazione responsabile della ionizzazione doveva
essere di origine extraterrestre.
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In seguito a queste osservazioni
furono effettuati studi ed
esperimenti sul Sole in quanto
indicato come causa principale
dell’extra-ionizzazione
dell’atmosfera terrestre.
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Nelle fasi attive il Sole emette R.C.
di bassa energia, ma questi eventi
sono poco frequenti per spiegare la
gran quantità di R.C. rivelati.
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Altre teorie suggeriscono che i R.C.
provengano dalle stelle binarie X
come Cygnus X-3.
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Abbondanza degli elementi
barre = sistema solare
linea = raggi cosmici
Introduciamo alcune definizioni:
Spettro differenziale :
Spettro integrale:
Intensità differenziale del flusso:
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Ricordiamo: Data una carica
elettrica puntiforme q in moto
con velocità v in una regione
caratterizzata dalla presenza
di un campo di induzione
magnetica B, sulla suddetta
carica agirà una forza Fl
detta Forza di Lorentz,
secondo la seguente formula:

Le particelle costituenti i R.C. sono cariche,
quindi, influenzate dal campo magnetico B.
Un flusso di particelle cariche possiede una
rigidità magnetica (momento magnetico
/carica unitaria). Se la rigidità magnetica è
alta il flusso riesce ad attraversare il campo
magnetico, inoltre, le particelle seguiranno
una traiettoria curva il cui raggio è quello di
Larmor:
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I R.C. sono anche influenzati dallo spessore dell’atmosfera terrestre, in
particolare, l’intensità del flusso varia in base alle coordinate geografiche e
alle stagioni terrestri.
Tale flusso segue la legge qui riportata, mostrando una certa indipendenza
dalla coordinata azimutale α:
Dove Ii(0°) è l'intensità della componente del flusso che arriva
perpendicolare alla superficie terrestre, mentre ni varia con il tipo di
particella: vale 2,0 ± 0,5 per gli elettroni e 1,85± 0,10 per i muoni.
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•
In prossimità dell’atmosfera
terrestre, la radiazione cosmica
incidente (detta primaria) durante
l’attraversamento dell’atmosfera
terrestre perde energia e cambia la
sua composizione interagendo (con
processi forti, elettromagnetici e
deboli ) con i nuclei atomici delle
molecole d’aria: vengono prodotti
così sciami aerei di particelle
(EAS - Extended Air Shower)
che vengono indicati come
radiazione cosmica secondaria.
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Osserviamo i particolari che ci interessano della
cascata, e cioè i processi di decadimento della
componente muonica ed elettromagnetica, dai
quali si producono i pioni i quali produrranno i
muoni che ci interessano …
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Il tempo di vita medio di π0 è: 8,4 * 10-17 s

Il tempo di vita medio di π+/π- è: 2,6 * 10-8 s
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1.
Gli EAS man mano che si propagano nell’atmosfera
aumentano il numero delle particelle secondarie fino a
raggiungere un massimo.
2.
Nel prosieguo dello sviluppo l’energia delle particelle
secondarie si fa sempre minore e cominciano i processi
di assorbimento che ne riducono la dimensione.
3.
Se l’energia del primario non è sufficientemente alta lo
sciame può essere riassorbito completamente prima di
giungere al suolo.
Km
 7 Km
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Simulazione di sciami di altissima
energia (1016 e 1019 eV):
http://th.physik.uni-frankfurt.de/~drescher/CASSIM/
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Lo spettro energetico dei
muoni allo zenit è stato
misurato entro un ampio
range di energia (0,2 ÷
1000) GeV/c, effettuando
misure
indipendenti
in
differenti
sottorange
energetici.
In figura vengono riportati i
risultati sperimentali per lo
spettro differenziale e per lo
spettro integrale dei muoni
allo zenit ed al livello del
mare.
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Fotorivelatori a scintillazione
Materiali che producono scintillazione al passaggio
di una particella ionizzante
Fotoni sono trasmessi attraverso la guida di luce al
PMT
Il PMT converte i fotoni in segnale elettrico e lo
amplifica
FOTOMOLTIPLICATORE
Hamamatsu
R5113-02
Dispositivo che converte un segnale luminoso in ingresso in un segnale elettrico di uscita
E’ costituito da un tubo sottovuoto al cui interno trovano posto:
-
FOTOCATODO : materiale fotosensibile con efficienza quantica da massimizzare
- ELETTRODO FOCALIZZANTE : per convogliare gli elettroni
- DINODI : per la moltiplicazione “ a cascata” del segnale
Rise Time 48 ns
- ANODO : da cui viene prelevato il segnale di uscita
Transit time spread 5,8 ns
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STRUMENTAZIONE ELETTRONICA
L’apparato elettronico è costituito da diversi moduli alloggiati in due contenitori metallici chiamati crate
Il primo è un crate NIM provvisto di 12 slot alimentati
da 6 tensioni in continua (±6V, ±12V, ±24V)
Standard NIM
0 -> V = 0mV;
1 -> V = -700mV
- Modulo di ritardo /CAEN Dual Delay N 108) : strumento costituito da due sezioni distinte che forniscono
in uscita il segnale di ingresso ritardato di una quantità compresa tra 3,5 e 35 ns
regolabile manualmente a passi do 0,5 ns
- Dual Timer (CAEN mod. 225b) : dispositivo che consente
di impostare ritardi compresi tra pochi ns e
108
qualche secondo. Ha un ingresso e due uscite denominate OUT e ENDMARKER. La prima fornisce
un segnale NIM simultaneo al segnale di entrata e di durata regolabile. La seconda restituisce un segnale
ritardato, rispetto a quello di ingresso, del valore impostato
- Discriminatore (CAEN mod. 96 - 8 canali) : strumento che fornisce in uscita un segnale logico NIM
solo se il segnale di ingresso supera una certa soglia. 2 uscite parallele e 1 uscita “negata”
- Modulo di coincidenza (AND INFN-NA) : porta AND che compara due segnali NIM e,
se si sovrappongono di almeno il 50 %, genera in uscita un segnale NIM
I collegamenti tra i moduli
- Scaler (CAEN mod. 45) : consente di contare gli impulsi NIM in ingresso.
Ha 4 display ciascuno con un limite massimo di conteggio pari a
vengono realizzati tramite
cavi coassiali:
impedenza caratteristica
di 50Ω;
-Translator : dispositivo in grado di eseguire la conversione
NIM/ECL o ECL/NIM di un segnale
ritardo di 5 ns/m.
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DISTRIBUZIONE ANGOLARE
angolo zenitale
Δt=22ns
10 cm
-Misurate le coincidenze doppie al variare dell’angolo zenitale
- Ci aspettiamo che il rate di coincidenze doppie casuali (rumore) sia piccolo:
r  2r1r2 t
-
-Per massimizzare l’efficienza di selezione del segnale è stata scelta un’alta tensione di alimentazione
e una bassa soglia di discriminazione
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DISTRIBUZIONE ANGOLARE: FIT
f (t )  I (0 ) cos 2 ( )
- I dati sono distribuiti secondo la distribuzione attesa
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