Extreme Energy Events
La scienza nella scuola
Silvia Miozzi
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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.
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Lo “Spettro” dei Raggi Cosmici
1 p/(m2sec)
Knee
1 p/(m2y)
1 p/(km2y)
Fino a 1020 eV !!!
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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.
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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.
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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....... ???
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
“Quantità”
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
“Energia”
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)
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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 !!!
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Greisen-Zatsepin-Kuzmin Supression:
Photo-production of pions from
CMBR
Results from Pierre Auger
observatory (2013)
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
The Auger observatory
Argentina
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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.
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
The EEE experiment
In 2004 ….
a pilot project with telescopes in 7 High
Schools
(Bari, Bologna, Cagliari, Catania, Frascati, L’Aquila,
Torino)
In 2015:
an experiment with 47 EEE Directional
Telescopes for m cosmic ray detection
(in 2016: 52 !!)
42 in italian High Schools (+ 5 in
preparation)
+ 2 at CERN + 3 at INFN units
across an overall area of ≈ 0.5 x 106 km2
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Il telescopio di EEE
m
MRPC 3
MRPC 2
80 cm
MRPC 1
82 cm
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
160 cm
Caratteristiche del telescopio
• Ottima risoluzione
temporale
• Ottimo sistema di
tracciamento per
ricostruire la traiettoria
del muone
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Ottima risoluzione temporale :
perchè?
fronte dello sciame
Lsinq = cDt
Ldq = cdt
cDt
q
dq
= cdt/L
L
per migliorare la Italian
risoluzione
Teachers Porgramme angolare
25/11/15
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
1 rad 60°
dq 6x10-3°
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Elettroni si muovono verso
l’anodo
Ioni positivi si muovono verso il
catodo
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Formazione e lettura del segnale
- HV
0
E
x
V0
d
V-1 (elettroni) = 200 ns/cm
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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).
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
MRPC
Miglior risoluzione
temporale
Miscela di gas
densi e veloci
Bassa efficienza
Gap piccola per
evitare scariche
Multi-gap RPC
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Gli MRPC di EEE
Multigap Resistive Plate Chamber
• Miscela di gas densi e veloci = 95% C2H2F4
5% 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 1 cm2
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
MRPC
• Non sono più RPC
assemblati
-10 kV (catodo)
-8 kV
• La tensione è applicata
solo agli elettrodi esterni
-6 kV
• Gli elettrodi interni sono
floating e la loro tensione
è regolata dal campo
elettrico tra gli elettrodi
esterni
-4 kV
-2 kV
0 V (anodo)
• Il segnale è la somma dei
segnali nelle singole gap
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
-10.000V
- 9.997
9.999 V
9.998
+
-
+
+
-
0V
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
0
V
- 10.000
V
++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - 0V
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Autocompensazione della tensione
0
- 10.000
V
V
++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - -
- 5.000 V
++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - - - - 0V
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Il segnale viene indotto
sulle strip
DAQ
Ogni strip è collegata ad un
differente canale sulla
scheda di front -end
m
TDC
Il TDC
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
(Time to Digital Converter)
converte il segnale
analogico in un tempo
Front-End cards and cables
The 24 channels front end card is the same used in ALICE TOF
and is based on NINO ASIC chip
NINO ASIC (ALICE – TOF)
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
AMPHENOL cables
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)
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
La costruzione
studenti e insegnanti
trascorrono una settimana ai
laboratori del CERN di
Ginevra per costruire gli
MRPC
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Studenti e insegnanti
lavorano al fianco dei
ricercatori…
…in un ambiente
internazionale
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
8/01/2006 – 14/01/2006
15/01/2006 – 21/01/2006
22/01/2006 – 28/01/2006
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Istituto Villa Sora
ITIS Fermi
Liceo Touschek
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Trasporto eccezionale dal CERN…
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
Il telescopio di EEE
m
MRPC 3
MRPC 2
80 cm
MRPC 1
82 cm
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
160 cm
Coincidenze nel sito del Gran Sasso
Distribuzione delle differenze di tempi di trigger di due stazioni. Gli eventi del
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
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
25/11/15
-10
-5
0
Italian Teachers Porgramme
5
10
15
D t (m s)
Physics outcome: coincidences
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
The EEE experiment
62 (part-time) researchers,
technologists and tecnicians
The EEE outreach
In the last 3 years in high schools:
>100 teachers, ~500 students directy
involved;
>20,000 students and their families and
friends had one or more contacts with EEE
events or activities
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
What students do (I) :
At
Chamber construction: one week to build 3 chambers
At School:
•Set-up of the Telescopes
•Chamber efficiency
measurements and calculation
25/11/15
In 2004-2015 students coming at CERN for the
detector assembly:
44 schools (+ 2 this fall) :
5-7 students + 2-3 teacher per school
For a total of:
250-300 students
50-80 teachers (also headmasters)
Italian Teachers Porgramme
The 2014 Pilot-run & the 2015 RUN-1
After many single Telescope data taking …
… in 2014: a Pilot-run involving the simultaneous and, for the first time,
completely automatic acquisition and data storage:
of EEE events from half (23) of the EEE telescopes at the
INFN-CNAF computer centre of Bologna has been performed
Nearly 1 billion events i.e. muon tracks collected in nearly
one month (27 October-14 November)
in 2015: for Run-1, two thirds (35) of the EEE telescopes were
ready to efficiently data taking:
Over 5 billion events i.e. muon tracks collected in about
three months (2 February-30 April) 28
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
EEE architecture and data flow
Data Telescope 1
Data Telescope 2
Data Telescope 3
Data Telescope 4
data -> C.N.A.F (INFN-Bologna)
( via BitTorrent Sync)
received with a 300kB/s bandwidth
where they are:
Data Telescope 50
Monitored (“Data Quality Monitoring”)
In a “quasi” on-line monitor
and Analyzed
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
What students do (II) :
At School
Even if ALL School PCs are remotely accessible (via TeamViewer)
there might be local problems which cannot be solved remotely (ex:
empty gas bottle, PC off, thunderstorm problems,…):
In these cases student help is essential !!!
If problems:
solve them
or
!!! WARN !!!
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
What students do (III) :
Check DAQ is ON
(PC down?)
Check GAS is flowing regularly
flowingh
(empty
bottle?)
Check chamber
hit distributions
25/11/15
At School
(dead wires?)
Italian Teachers Porgramme
What students do (IV):
Fill the e-logbook
Check the CNAF online monitoring system
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
anywhere !
(using “ad hoc” tools )
Physics outcomes:
cosmic ray rates and their variation (Forbush
decreases)
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
www.centrofermi.it/eee
www.centrofermi.it/monitor
[email protected]
25/11/15
Italian Teachers Porgramme
