Misure dirette di raggi cosmici con Fermi-LAT

Misure dirette di
raggi cosmici con
Fermi-LAT
Carmelo Sgrò
INFN–Pisa
[email protected]
on behalf of the Fermi LAT
collaboration
ASI, 31 maggio 2016
L’osservatorio Fermi
http://fermi.gsfc.nasa.gov/
I
I
I
Concepito come osservatorio per radiazione elettromagnetica
Enfasi su area efficace, campo di vista ed intervallo di energia accessibile
Essenzialmente “calorimetrico”: nessun magnete a bordo
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
2 / 13
Come si rivelano i raggi γ
Schermo Anti-coincidenza
γ ray
Piano di convertitori
Piano di rivelatori
Tracciatore/convertitore
Calorimetro
I
e−
e+
Basato sul processo di produzione di coppia dei raggi γ
I
I
Meccanismo di interazione dominante ad alte energie (E >∼ 20M eV )
Tecnica standard, usata sin dai tempi di esperimenti come COS-B e EGRET
I
I raggi γ convertono i coppie e+ + e− all’interno del
Tracciatore/Convertitore → direzione di provenienza
I
Lo sciame e.m. viene (parzialmente) assorbito nel Calorimetro → energia
I
Nessun segnale nello schermo esterno di anti-coincidenza → separazione
delle particelle cariche
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
3 / 13
Come si rivelano gli elettroni
Schermo Anti-coincidenza
Tracciatore/convertitore
Calorimetro
I
I
e−
e−
Piano di convertitori
Piano di rivelatori
γ
e+ e−
Sciami iniziati da raggi γ o elettroni sono molto simili
Il LAT è in grado di rivelare entrambi
I
I
I
La ricostruzione degli eventi è identica per γ ed e− + e+
Il trigger è attivo su ogni particella che attraversa il rivelatore
Le particelle cariche sono rimosse dal software di bordo, ma non se rilasciano
più di 20 GeV nel CAL
I
Serve una selezione dedicata per gli e− + e+
I
Nessun sistema di separazione della carica
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
4 / 13
Selezione degli eventi
La ricostruzione fornisce, per ogni evento,
direzione, energia ed informazioni
topologiche
I
I
Sviluppo laterale dello sciame, densità di
hit lungo la traccia, ecc.
Queste informazioni sono combinate
tramite alberi di decisione
I
I
Selezioni successive separano gli eventi in
nodi, dove sono classificati in Segnale o
Fondo in base alle popolazioni relative
L’uscita del classificatore si usa per
selezionare il campione di eventi da
analizzare ed ottimizzare le performance
I
I
Area efficace, fondo residuo, risoluzione
in energia e angolare, ecc.
Sviluppo iniziato (per i raggi γ) sin da
prima del lancio
I
Diverse tecniche e software sono stati
testati negli anni
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
Rate [Hz]
I
18
16
14
12
[281.8--316.2 GeV, cosθ = 0.50--1.00]
×10-6
χ2/ndof = 186.8/186
MC r/w e± (x 1.17)
MC r/w p (x 1.47)
MC sum
Flight data
10
8
6
4
2
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
Electron Classifier Output
5 / 13
Effetto del campo magnetico terrestre
Flux (m-2 s-1 sr -1 GeV -1)
McIlwain L e cutoff geomagnetico
Ec = 6.86 ± 0.05 GeV
102
Ec = 8.83 ± 0.06 GeV
10
Ec = 13.15 ± 0.12 GeV
1
-1
10
10-2
10-3
1.00 < Mc Ilwain L < 1.14
1.28 < Mc Ilwain L < 1.42
1.56 < Mc Ilwain L < 1.70
10-4 -1
10
I
1
I
10
Il campo magnetico terrestre modifica lo spettro dei raggi cosmici
I
I
Energy (GeV)
Cutoff geomagnetico, che dipende dalla posizione per satellite
Determina l’energia minima accessibile, ed impone delle correzioni alla
misura dello spettro
Ma è anche un’opportunità:
I
I
Per la calibrazione della scala di energia
Per la separazione di particella con carica opposta
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
6 / 13
Spettro inclusivo di e− + e+
Abdo, A. A. et al.
Phys. Rev. Lett. 102, 181101 (2009)
Ackermann, M. et al.
Phys. Rev. D 82, 092004 (2010)
I
Primo risultato del LAT: lo spettro inclusivo tra 7 GeV e 1 TeV
I
I
I
Incertezza dominata da effetti sistematici, in particolare la conoscenza
dell’accettanza effettiva
Limite ad alta energia legato alla saturazione del segnale nei cristalli del CAL
Lo spettro è più “hard” di quanto ci si aspettava
I
Può essere descritto da una legge di potenza con indice 3.03–3.13
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
7 / 13
Spettro di e+ ed di e−
I
La Terra ed il suo campo magnetico
vietano alcune delle traiettorie
I
I
Ci sono regioni (angolari) permesse solo a
e+ verso Ovest e e− verso Est
Le regioni possono essere identificate
tracciando le traiettorie
I
Forte dipendenza dall’energia e dalla
posizione nell’orbita
I
Si possono ricostruire gli spettri
separatamente per le 3 regioni
e+ + e− , e− , e+
I
I
Solo ∼ 39 giorni di tempo utile:
quando il LAT guarda verso la Terra
La frazione di positroni si può calcolare in
maniera indiretta
I
Prima conferma indipendente della
risalita scoperta da PAMELA
Ackermann, M. et al., Phys. Rev. Lett. 108, 011103 (2012)
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
8 / 13
Ricerca di anisotropie nel flusso di e− + e+
I
I
Grande esposizione e completa
copertura del cielo
Confronto tra mappa dei conteggi ed
mappa isotropa
I
I
I
I
Per tenere in considerazione
disomogeneità nell’eposizione
Costruita a partire dai dati reali
Nessun segnale osservato con il primo
anno di dati
Limiti superiori al contributo di dipolo
I
Vela
Monogem
Vincoli ai modelli teorici, sia
astrofisici che legati alla DM
Ackermann, M. et al., Phys. Rev. D 82, 092003 (2010)
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
LAT 95% UL
ASI, 31 maggio 2016
GALPROP
9 / 13
Pass 8 e raggi cosmici
I
Pass 8 è una riscrittura completa di tutta la catena di analisi
I
Simulazione, ricostruzione, rimozione del fondo, metodi di analisi
I
Un nuovo LAT con performance superiori
I
Anche l’analisi dei raggi cosmici è stata completamente rivisitata
I
Nuovo tracking
basato su
strutture ad
albero
z
x
I
Clustering nel calorimetro
per rimuovere i “ghost”
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
I
ASI, 31 maggio 2016
Fit del profilo migliorato,
per la misura dell’energia
10 / 13
3.5
Residual bkg contamination
Acceptance [m2 sr]
Analisi di e− + e+ con Pass 8
Fermi Pass 8 PRELIMINARY
Event Selection (scan on signal efficiency)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
102
0.6
Fermi Pass 8 PRELIMINARY
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
103
Bkg simulation reliability
Event Selection (scan on signal efficiency)
I
I
I
I
Energy [GeV]
Pre-selezione degli eventi, per richiedere una qualità minima nella
ricostruzione
Rimozione del fondo tramite alberi di classificazione
I
I
103
102
Energy [GeV]
Boosted Decision Trees (BDT), tramite pacchetto TMVA
“Template fit” dell’output del BDT per valutare il fondo residuo
Scala di energia corretta sfruttando il cutoff geomagnetico
Tracing delle particelle a bassa energia per correggere l’effetto del campo
magnetico terrestre
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
11 / 13
Risultati recenti sullo spettro di e− + e+
I
I
I
Energia massima estesa oltre 1 TeV
Spettro dominato da incertezze sistematiche
Risultati mostrati qui sono preliminari, ma
I
I
I
I
Analisi praticamente conclusa
Articolo in preparazione
Alcuni dettagli dell’analisi verranno discussi nel pomeriggio
Ricerca di anisotropie in fase avanzata
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
12 / 13
Conclusioni
I
Il LAT ha già prodotto ottimi risultati sui raggi cosmici
I
I
I
Spettro inclusivo tra 7 GeV e 1 TeV
Ricerca di anisotropie nella direzione di arrivo
Tracciamento di particelle nel campo magnetico terrestre
I
I
Nuovi risultati in arrivo grazie a Pass 8
I
I
I
I
Separazione della carica e calibrazione dello strumento
Nuova ricostruzione, simulazione, tool di analisi, ecc...
Estensione dello spettro oltre il TeV
Nuova ricerca di anisotropie con ∼ 7 volte più statistica
Altri campi ancora da esplorare
I
Anisotropie nella direzione di provenienza di protoni (?)
Carmelo Sgrò (INFN–Pisa)
ASI, 31 maggio 2016
13 / 13