Raggi Cosmici

Extreme Energy Events
La scienza nella scuola
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Il progetto EEE ha come obiettivo il
coinvolgimento dei giovani in
un’esperienza scientifica che prevede la
costruzione e l’installazione, nelle loro
scuole, di rivelatori in grado di osservare i
raggi cosmici.
I Raggi Cosmici sono particelle
subatomiche con energie molto varie, 1091021 eV. Apparentemente molto lontane
da noi, in realtà si devono a loro molte
mutazioni genetiche e variazioni
climatiche; inoltre costituiscono la
“cenere” del Big Bang e consentono lo
studio dell’universo.
Cosa sono i Raggi Cosmici?
• Sono una delle principali componenti dell’Universo e
la maggiore fonte di materiale extra-terrestre.
• Si presentano sotto forma di radiazione molto
penetrante (particelle subatomiche cariche molto
energetiche).
• La loro rivelazione ci può fornire informazioni
sull’Universo e sugli oggetti che lo popolano
Aurore Polari
Sono generate da particelle
elemetari emesse dal Sole che
giungendo in prossimita’ della
Terra vengono deviate dal
campo magnetico terrestre e
attratte ai suoi poli.
Quando raggiungono la
ionosfera interagiscono con
l’azoto e l’ossigeno che
eccitandosi emettono I loro
sprettri caratteristici.
prende vita la fisica delle particelle elementari
I Raggi Cosmici sono i primi acceleratori di particelle
e sono gratis…!!!
La scoperta delle particelle
Quali particelle formano
i Raggi Cosmici ?
elettrone
I raggi cosmici sono nuclei di atomi di
materia ordinaria:
~ 90% Idrogeno
~ 9 % Elio
~ 1 % tutti gli altri nuclei
nucleo (protoni + neutroni)
L’atomo piú comune nell’ Universo é l’atomo di Idrogeno.
Il suo nucleo é costituito da un protone.
Da dove vengono i Raggi Cosmici ?
L’identificazione delle sorgenti di R.C. è legata alla loro energia
Alle basse energie:
Il nostro Sole
(eruzioni solari)
Alle medie ed alte energie:
Esplosioni di Supernova ???
Ad altissime energie:
...... Buchi neri super massicci...... gamma-ray bursts ???
...... oggetti sconosciuti dell’Universo....... ???
Lo “Spettro” dei Raggi Cosmici
1 p/(m2sec)
Knee
1 p/(m2y)
1 p/(km2y)
Fino a 1020 eV !!!
Quanti Raggi Cosmici ci raggiungono?
I raggi cosmici bombardano
continuamente la Terra da ogni
direzione.
Fuori dall’atmosfera terrestre su
ogni metro quadrato “piovono” circa
30000 particelle ogni secondo !!!
L’atmosfera terrestre assorbe la
maggior parte dei raggi cosmici.
I Raggi Cosmici e l’atmosfera
Quando un Raggio Cosmico raggiunge
l’atmosfera terrestre
a) la particella primaria collide con i nuclei
dell’aria provocando una
b) cascata di particelle secondarie di energia più
bassa, che a loro volta
c) subiscono ulteriori collisioni producendo uno
sciame di miliardi e più di particelle che
raggiungono il suolo terrestre in un’area la cui
estensione può essere anche di diversi km2.
“Energia”
“Quantità”
CR Energy spectrum
•Above 1020 eV we expect a cut-off
(GZK mechanism)
• CR with energy in excess of 1020 eV
have been detected
P
γ3K
Δ
Ｎ
π
• Sources and acceleration mechanism for
UHECR production (E >1019 eV) are unknown
• Sources must be < 50 Mpc !!!
Greisen-Zatsepin-Kuzmin Supression:
Photo-production of pions from
CMBR
Ricerche
con palloni
Ricerche con satelliti
Ricerche nello spazio
The Ultra-High Energy Cosmic Ray (UHECR)
Spectrum: State of Affairs:
• Best statistics from HiRes
experiment (data through
6/2005)  nitrogen
fluorescence.
• Significant differences with
AGASA surface scintillator
array.
• Auger surface detector
(SD), calibrated with
fluorescence detector
(spectrum shown 2005
International Cosmic Ray
Conference)
Il 3 dicembre 1993 i rivelatori dell’esperimento
AGASA (Giappone) hanno registrato l’arrivo di uno
sciame di energia particolarmente elevata. Questo
speciale evento è stato misurato particolarmente
bene perchè lo sciame, prodotto da un raggio
cosmico con un’energia di circa 2x1020 eV e arrivato
verticalmente, è caduto completamente sui
rivelatori. La sua energia è molto al di sopra di quella
aspettata se proveniente da sorgente nota.
Typical Event
The AGASA Experiment
111 surface electron detectors of 2,2 m2
area
Covered area 100 km2
0
4km
HiRes Array (Utah)
67 Fly’s eyes detector
1,5 m diameter
TA is an Hybrid Detector (Utah)
A
T
Full array will consist of 576
detectors on 1.2 km grid
(approximately 20 km × 30
km)
The Auger observatory
Argentina
The Auger first results
(2007)
The celestial sphere in galactic coordinates showing the arrival
directions of the 27 highest energy cosmic rays detected by Auger.
The energies are greater than 57 x 1018 eV (57 EeV)
Active galactic nuclei (AGN) are the most likely candidate for the
source of the highest-energy cosmic rays that hit Earth.
The GZK mechanism is also confirmed
Results from Pierre Auger
observatory (2013)
Sciami correlati
Sign of extreme energy universe may come not as a single OMG (Oh
My God) event but rather as burst of events of more modest
energy.
Possible sources could be:
• Active stars “burst”
• “gamma-ray burst”
• “Extreme High Energy” CR
decay products
•1975 a cluster of EAS with estimated energy
of  1021 eV has been observed in two
different stations 250 Km apart.
Detector network
• Detection of single OMG event require dense EAS
array and/or atmospheric fluorescence detectors
with detector spacing of the order of a Km.
• Large detection area is also required
• Using GPS technology it is possible to perform
precision timing over ultra large area with detectors
network.
• Large Area Air Shower array (1990) is 10 compact
EAS array spread across Japan and cover an area of
the order of 30.000 Km2
Lavorare con le scuole
• L’installazione di un large area array richiede una
zona molto estesa e poco popolata
• Oppure una zona molto estesa e densamente
popolata con molte scuole
• 1999 in Alberta (Canada) ALTA (Alberta Large-area
Time-coincidence Array) comincia a prendere dati
con la collaborazione di tre scuole
Lavorare con le scuole
• Coinvolgere studenti e insegnanti in
un’esperienza unica sia dal punto di vista
didattico sia di partecipazione attiva ad un
vero esperimento
NALTA Network
Most of the major groups in Canada
and USA have formed a loose
collaboration (North American Largearea Time Coincidence Arrays) with
more than 100 detector stations
spread across North America.
The detector systems are plastic
scintillators which are read by custom
made electronics and which use GPS
for precise coincident timing with
others nodes.
European projects
The European groups are also
developing a similar collaboration
called Eurocosmics.
It is clear that the natural next step is
to combine North America and
European networks into a worldwide
network to comprehend the Extreme
Energy Universe
EEE project
• Il Progetto EEE (Extreme Energy Events) utilizza rivelatori a
gas in grado di misurare con grande precisione il tempo di
arrivo e la direzione della componente muonica dello sciame
• Questi rivelatori denominati MRPC (Multigap Restive Plate
Chamber) sono distribuiti su tutto il territorio nazionale
• La ricerca degli eventi ad alta energia viene fatta cercando
segnali in coincidenza tra stazioni lontane
EEE project
• 2005 : inizia la costruzione
per 7 scuole in 7 città
• 2006 : 21 scuole in 7 città
• 2009 : completata
costruzione per altre 11
scuole
• 2012: installate le 11
stazioni precedenti e
costruite 4 nuove stazioni
• 2014 : costruzione 5
stazioni
• 2015: costruzione 3
stazioni
Obiettivo del Progetto EEE
Rivelazione sciami estesi
di raggi cosmici ad alta
energia tramite il
campionamento della
componente muonica
utilizzando una rete di
rivelatori sparsi sul
territorio italiano
Perchè servono tanti rivelatori?
Esempio: voglio rivelare 100 sciami con un’energia di ~1019 eV
So che di questi eventi ne arriva 1 ogni anno su un km2 di superficie.
Come faccio a vederne 100 ?
Se costruisco un rivelatore grande 1 km2 devo aspettare 100 anni…
Con un rivelatore grande 100 km2 aspetto solo 1 anno
Tanti rivelatori vicini sono come un grande
rivelatore
Cerchiamo le coincidenze
L’energia e la direzione del
raggio cosmico primario
vengono determinate tramite
il conteggio e la ricostruzione
della direzione della
componente muonica
Due o più muoni rivelati da stazioni
distanti provengono dallo stesso
sciame se:
• sono contemporanei (entro un certo
intervallo di tempo che dipende dalla
distanza relativa delle stazioni, O(1ms))
• hanno una piccola divergenza angolare
(O(1°))
La correlazione degli eventi misurati
da telescopi differenti si fa offline utilizzando la tecnologia GPS
che con una precisione di circa
100 ns individua eventi
contemporanei
Il telescopio di EEE
m
MRPC 3
MRPC 2
80 cm
MRPC 1
82 cm
160 cm
Caratteristiche del telescopio
• Ottima risoluzione
temporale
• Ottimo sistema di
tracciamento per
ricostruire la traiettoria
del muone
Ottima risoluzione temporale :
perchè?
fronte dello sciame
Lsinq = cDt
Ldq = cdt
cDt
q
dq
= cdt/L
L
per migliorare la risoluzione angolare
Ottima risoluzione angolare
L = 1000 m
(distanza tra i rivelatori)
dt= 100ps =0,1ns
(risoluzione temporale)
c-1 = 3ns/m
(inverso velocità della luce)
dq= cdt/L ~10-4 rad
60°
dq 6x10-3°
1 rad 
Il rivelatore
MRPC
Come vedere le particelle subatomiche
Una tromba d’aria distrugge le case di un villaggio.
Gli abitanti delle case distrutte corrono al telefono piu`
vicino per chiamare i pompieri.
I pompieri registrano la posizione dei telefoni e
l'istante delle chiamate.
Dalla posizione dei telefoni e dal tempo intercorso
fra le chiamate, si ricostruisce il punto in cui e`
avvenuto l'incidente e la velocita’ della tromba d’aria
D
C
B
B
A
A
D
C
Come funzionano i rivelatori di particelle
Atomi
nel rivelatore
+
+
+
+
+
+
+
Gli elettroni negativi sono attratti dall’elettrodo
positivo piu` vicino.
Il segnale prodotto e`amplificato e inviato ad un
computer.
Dalla posizione dell’elettrodo e dal tempo di arrivo
del segnale, il computer ricostruisce il punto di
passaggio della particella.
+
+
+
+
una particella invisibile passando attraverso il
rivelatore ne colpisce gli atomi e libera elettroni.
I rivelatori registrano le tracce delle particelle troppo piccole per
essere "viste"
x
Rivelatore a gas
Contenitore riempito di gas
facilmente ionizzabile
catodo
E
anodo
Campo elettrico uniforme
Radiazione ionizzante
interagisce con il gas creando
coppie elettrone-ione positivo
E
Elettroni si muovono verso
l’anodo
Ioni positivi si muovono verso il
catodo
Moltiplicazione a valanga
E
l
x
• Aumentando l’intensità del
campo elettrico (>10 kV/cm) gli
elettroni possono acquistare
energia sufficiente per
produrre una nuova
ionizzazione e così via con la
formazione di una valanga
• A causa della grande mobilità
degli elettroni rispetto agli ioni
positivi la valanga ha la forma
di una goccia: sul fronte gli
elettroni, sulla coda gli ioni
Formazione e lettura del segnale
- HV
0
E
x
V0
V-1 (elettroni) = 200 ns/cm
d
Elettrodi Resistivi
Quali sono i vantaggi nell’utilizzo di catodi ad alta resistività?
•
Trasparenza: questi materiali essendo non metallici
evitano l’effetto “gabbia di Faraday”: il segnale viene
trasmesso all’esterno del rivelatore!
•
E’ dunque possibile posizionare gli elettrodi di lettura
all’esterno del rivelatore
•
Utilizzando elettrodi di lettura esterni il rivelatore viene
praticamente diviso in 2 parti completamente indipendenti:
una parte attiva di rivelazione (gas + HV) e una parte
passiva di lettura (elettrodi esterni).
RPC: Resistive Plate Counter
• Geometria planare (campo elettrico
uniforme)
• Elettrodi resistivi (vetro)
• Gap 2,0 mm
• Lettura effettuata con strips esterne al
rivelatore isolate dal piano dell’alta
tensione
vetro
Risoluzione temporale
con miscele tradizionali e gap da 2 mm:
Dt  l/v  1 ns
l cammino libero medio degli elettroni ( 70-80 mm)
v-1 velocità di deriva degli elettroni (200 ns/cm)
Per migliorare Dt: l  piccolo e v  elevato.
Questo si può ottenere con miscele di gas particolari
(“dense/veloci”) : C2H2F4 (Suva-134) – SF6
e campi elettrici elevati (fino a 100kV/cm) si ha:
l 10 mm
v  100 mm/ns
Dt  0,1 ns
MRPC
Miglior risoluzione
temporale
Miscela di gas
densi e veloci
Bassa efficienza
Gap piccola per
evitare scariche
Multi-gap RPC
MRPC
• Non sono più RPC
assemblati
• La tensione è applicata
solo agli elettrodi esterni
• Gli elettrodi interni sono
floating e la loro tensione
è regolata dal campo
elettrico tra gli elettrodi
esterni
• Il segnale è la somma dei
segnali nelle singole gap
-10 kV (catodo)
-8 kV
-6 kV
-4 kV
-2 kV
0 V (anodo)
-10.000V
- 9.997
9.999 V
9.998
+
-
+
+
-
0V
0
V
- 10.000
V
++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - 0V
Autocompensazione della tensione
0
- 10.000
V
V
++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - -
- 5.000 V
++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - 0V
Il rivelatore MRPC di EEE
• Miscela di gas densi e veloci =
98% C2H2F4 , 2% SF6
• 6 gap da 300 mm
• Elettrodi in vetro 1,1/1,8 mm
– 5 floating e 2 connessi a HV
• Tensione di lavoro ~ 20 KV
• Segnale sommato sulle 6 gap
• Risoluzione temporale ~100-200ps
• Risoluzione spaziale (dipendente
dalla geometria delle strip e dal
sistema di lettura del segnale )
~1 cm2
Il segnale viene indotto
sulle strip
DAQ
Ogni strip è collegata ad un
differente canale sulla
scheda di front -end
m
TDC
Il TDC
(Time to Digital Converter)
converte il segnale
analogico in un tempo
Ricostruzione della traccia
Il punto di impatto viene
individuato:
• dal numero della strip (x)
• dalla differenza del tempo di
arrivo del segnale alle
estremità delle strip (y)
Conoscendo I tre punti
d’impatto è possibile
ricostruire la traiettoria
HV System
Alta Tensione applicata
tramite DC-DC converter
Il sistema fornisce HV
fino a ± 10 kV se
alimentato da 0 V a 5 V
I DC-DC converter
sono inseriti
all’interno di
scatolette connesse
direttamente alla
box di alluminio che
contiene l’MRPC
Coincidenze nel sito del Gran Sasso
Distribuzione delle differenze di tempi di trigger di due stazioni. Gli eventi del
picco sono dovuti a particelle appartenenti allo stesso sciame
Coincidenze nel sito di
Frascati/Grottaferrata
Coincidenze,cosq12>0.99
Entries
c2 / ndf
p0
p1
p2
140
5370
51.62 / 57
142.5 ± 24.2
0.2661 ± 0.1013
0.4913 ± 0.0779
120
100
80
60
40
20
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
D t (m s)
Summary
• Rivelazione di HE EAS tramite tracciamento
componente muonica
• Caratteristiche rivelatori MRPC:
– Elevata risoluzione temporale
– Buona risoluzione spaziale
– Di facile costruzione e alta affidabilità
Per info sul progetto EEE visitare il sito
www.centrofermi.it