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.
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.
1
In seguito a queste osservazioni
furono effettuati studi ed
esperimenti sul Sole in quanto
indicato come causa principale
dell’extra-ionizzazione
dell’atmosfera terrestre.
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.
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.
6
•
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 …
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
8
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
9
Simulazione di sciami di altissima
energia (1016 e 1019 eV):
http://th.physik.uni-frankfurt.de/~drescher/CASSIM/
10
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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