Astrofisica Gamma (brevi cenni su..) STACEEHESSARGO-YBJ.

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Astrofisica Gamma Astrofisica Gamma (brevi cenni su..) (brevi cenni su..) STACEE STACEE HESS HESS ARGO-YBJ ARGO-YBJ

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Astrofisica GammaAstrofisica Gamma

(brevi cenni su..)(brevi cenni su..)

STACEESTACEE

HESSHESS

ARGO-YBJARGO-YBJ

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April 22, 2007 Astrofisica Gamma 2

Sciami elettromagnetici atmosfericiSciami elettromagnetici atmosferici

gamma, e+/e- , µ+/µ-, hadrons Lo sciame inizia a ~20 Km di altezza, con un massimo a ~10 Km per energie dell’ordine del GeV. L’asse dello sciame “segue” la traiettoria originale del fotone iniziale.

I fotoni Cerenkov vengono emessi in un cono di circa 1 grado e arrivano a Terra su una superficie dell’ordine di un centinaio di mq.

I raggi cosmici danno origine a sciami con fluttuazioni molto più importanti, molto più larghi ( a causa del Pt kick intrinseco) e con meno luce (a causa della maggiore presenza di pioni e muoni non relativistici). La luce Cerenkov contenuta in un dato cono è molto minore rispetto a quella di uno sciame elettromagnetico della stessa energia.

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Sciami elettromagnetici atmosfericiSciami elettromagnetici atmosferici

Tempo di arrivo dei fotoni:Distribuzione smooth sferica

Simulazione della luce emessa da un fotone di 100 GeV

Punto di impatto dei fotoni Cerenkov

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Sciami elettromagnetici atmodfericiSciami elettromagnetici atmodferici

Tempo di arrivo dei fotoni vs distanza dal centro.

Simulazione della luce emessa da un fotone di 100 GeV

Fotoni per mq vs distanza dal centro

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Sciami adronici atmosfericiSciami adronici atmosferici

Tempo di arrivo dei fotoni:Distribuzione smooth sferica

Simulazione della luce emessa da un protone di 500 GeV

Punto di impatto dei fotoni Cerenkov

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Sciami adronici atmosfericiSciami adronici atmosfericiSimulazione della luce emessa da un protone di 500 GeV

Tempo di arrivo dei fotoni vs distanza dal centro.

Fotoni per mq vs distanza dal centro

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Separazione Gamma-AdroneSeparazione Gamma-Adrone

Telescopi a imaging (MAGIC e HESS) hanno camere a pixel che consentono tagli piuttosto netti sulle immagini.

Rivelatori a campionamento (STACEE e altri..) devono invece sfruttare la struttura dei differenti fronti di luce for ottenere la separazione gamma-adrone.

gamma muon

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Soglia in EnergiaSoglia in Energia

E ∝ΦΩτ

εΑ

Il problema è quello si misurare piccoli flussi di fotoni da sciami elettromagnetici di bassa energia, in presenza del fondo diffuso notturno. Semplice formula…..

E Soglia in energia Fondo diffuso notturno Angolo solido (campo di vista) Risoluzione temporale Efficienza di raccoltaA Superficie di raccolta

Limitazioni intrinseche alla risoluzione temporale imposte dalla fisica dello sciame……ci si concentra su efficienza di rivelazione e area del rivelatore.

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Solar Tower Atmospheric Cerenkov Effect ExperimentSolar Tower Atmospheric Cerenkov Effect Experiment

34.96° N106.51° W

1700 m alt

212 specchi

Torre di 70 m

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Solar Tower Atmospheric Cerenkov Effect ExperimentSolar Tower Atmospheric Cerenkov Effect Experiment

NSTTF (National Solar Thermal Test Facility), Albuquerque, NM, U.S.A., mantenuto dal Laboratorio Nazionale SANDIA.

Specchi originalmente disegnati e realizzati per ricerca nel campo della raccolta dell’energia solare! La collaborazione dimostra la fattibilità del loro utilizzo per raccogliere luce Cerenkov durante la notte. Costruito da una collaborazione U.S/Canada tra il 1997 e 2001. Pienamente operativo.

Principio di funzionamento: sciame elettromagnetico generato dal fotone nel suo attraversamento dell’atmosfera terrestre. Alcune delle particelle generate possono viaggiare a velocità superiori a quella delle luce e generare luce Cerenkov. I fotoni Cerenkov vengono riflessi su degli specchi secondari posizionati nella Torre centrale (Solar Tower), e direzionati su fotorivelatori (tubi fotomoltiplicatori) che trasformano la luce in un segnale elettrico.

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STACEESTACEE

Gli specchi di STACEE hanno una superficie di circa 37 metri quadri. La luce Cerenkov viene riflessa su specchi di più piccole dimensioni. Gli specchi principali costituiscono un telescopio per raggi gamma di superficie molto estesa (circa 2000 mq), che consente lo studio dei fotoni nell’intervallo di energia tra qualche decina di GeV e 500 GeV. Ad un costo che è solo una frazione di quello di un esperimento su Satellite!

Ogni singolo blocco è composto da una matrice 5 x 5 di specchi, ognuno di 0.37 mq. Gli specchi possono essere orientati singolarmente e messi a fuoco (con una “certa” precisione!) in modo da generare una “foto” del sole di 2m in diametro in cima alla Torre. Tutti i singoli blocchi sono individualmente orientabili con una precisione di 3 arcmin.

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STACEESTACEETre specchi da 2m ognuno con la sua camera individuale da 16 canali

Due specchi da 1m ognuno con la sua camera individuale da 8 canali

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STACEESTACEE

Stadio finale dell’ottica di STACEE: concentra la luce di un “blocco” in un unico tubo fotomoltiplicatore (DTIRC = Dielectric Total Internal Reflection Concentrator).

Tubi fotomoltiplicatori da 51 mm. “mapping” 1 a 1 dei singoli “blocchi”: 16+48 = 64 campioni indipendenti di misure di luce Cerenkov.

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STACEESTACEE

Read-out usa real-time Linux computer in crate VME (anche CAMAC): GHz FADC….

Un piccolo esperimento per gli standard di oggi! Quasi le dimensioni di un esperimento da laboratorio…..

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STACEESTACEECaratteristiche di STACEE

• area rivelatori 2000 m2

• soglia di 30 GeV

• superficie coperta dai rivelatori 20000 m2

•Tecnologia ottica ad alto livello

•Fast Read-out: 40 ADC 1GHz per la ricostruzione degli EAS

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HESSHESSQuattro telescopi, 107 m2 ognuno

960 PMT cameras, field of view 5o. PSF < 0.1°.

Osservazioni durante notti serene e senza luna, ~1000 h / year

Centinaia di oggetti osservati ogni notte: ~300 imamagini registrate al secondo

Khomas Highlands, Namibia1800 m asl

Operativo dal 2003

Soglia in energia:~ 100 GeV, ~20% risoluzione

Sensibilità:1% Crab in 25 h (5)

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HESSHESS

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HESSHESS

Struttura meccanica:Struttura meccanica:- Telaio di acciaioTelaio di acciaio- Peso, 60 tonsPeso, 60 tons

SpecchioSpecchio Area 107 mArea 107 m22

Segmentato in 380 Segmentato in 380 specchi individuali di 60 specchi individuali di 60 cm di diametrocm di diametro

Diametro 13 mDiametro 13 m Lunghezza focale 15 mLunghezza focale 15 m

CameraCamera

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HESS - CAMERAHESS - CAMERA 960 pixels (tubi 960 pixels (tubi

fotomoltiplicatori), fotomoltiplicatori), dimensioni 0.16°dimensioni 0.16°

5° field of view5° field of view Elettronica di lettura Elettronica di lettura

integrata sulla cameraintegrata sulla camera

Sistema modulare. Un sistema di Trigger centrale utilizza le informazioni dei singoli telescopi per formare coincidenze multiple (minimo di due) che consentono la ricostruzione stereoscopica degli sciami.

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HESS - CAMERAHESS - CAMERA

960 fotorivelatori ognuno dei quali vede un angolo di 0.16°, 29 mm fototubi Photonis con finestre di borosilicato. Coni di Winston per migliorare la raccolta di luce. Il sistema completo pesa circa 800 Kg e dissipa circa 5KW!

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HESS - LIVETIMEHESS - LIVETIME

Efficienza: 64%

Inefficienze dovute a :

Cattivo tempo 23%

Rivelatore 6%

Target change 7%

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ARGO - YBJ (Yangbajing)ARGO - YBJ (Yangbajing)

AAstrophysical strophysical RRadiation with adiation with GGround-based round-based OObservatory at bservatory at YYangangBBaaJJinging

4300 asl, a Yangbajing, 90 km a nord di Lasha (Tibet)4300 asl, a Yangbajing, 90 km a nord di Lasha (Tibet) ~ 606 g/cm~ 606 g/cm2 2 di spessore atmosfericodi spessore atmosferico Rivelatore di sciami atmosferici a copertura totale, 7000 mRivelatore di sciami atmosferici a copertura totale, 7000 m22

Diversamente dagli apparati tradizionali, normalmente in grado Diversamente dagli apparati tradizionali, normalmente in grado di campionare una piccola frazione dello sciame (~1-2%), di campionare una piccola frazione dello sciame (~1-2%), ARGO-YBJ consente di rivelarne un’elevata frazione, fino al ARGO-YBJ consente di rivelarne un’elevata frazione, fino al 90%.90%.

Possibilità di effettuare studi topologici Possibilità di effettuare studi topologici Efficiente anche per sciami di energia minore (minore Efficiente anche per sciami di energia minore (minore

atmosfera)atmosfera) Ottima risoluzione temporale, 1 ns, alta sensibilità verso Ottima risoluzione temporale, 1 ns, alta sensibilità verso

sorgenti di raggi gammasorgenti di raggi gamma Ampio campo di vista (FOV)Ampio campo di vista (FOV) Alta percentuale di tempo effettivo di presa datiAlta percentuale di tempo effettivo di presa dati

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ARGO - YBJ (Yangbajing)ARGO - YBJ (Yangbajing)

Dispositivo a copertura totale di dimensioni 78 x 74 mDispositivo a copertura totale di dimensioni 78 x 74 m22, , realizzato con singolo strato di camere ad elettrodi piani realizzato con singolo strato di camere ad elettrodi piani resistivi (RPC)resistivi (RPC)

Anello di guardia, parzialmente equipaggiato con RPC, Anello di guardia, parzialmente equipaggiato con RPC, incrementa l’area attiva fino a 111 x 99 mincrementa l’area attiva fino a 111 x 99 m22..

Costituito da 154 unità logiche, chiamate Clusters, di cui 24 Costituito da 154 unità logiche, chiamate Clusters, di cui 24 nell’anello di guardia. Totale di 1848 RPC.nell’anello di guardia. Totale di 1848 RPC.

12 RPC/cluster, 12 RPC/cluster, 1 RPC 126 x 285 cm1 RPC 126 x 285 cm22

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ARGO - YBJ (Yangbajing)ARGO - YBJ (Yangbajing)

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ARGO - YBJ (Yangbajing)ARGO - YBJ (Yangbajing)

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ARGO - YBJ (Yangbajing)ARGO - YBJ (Yangbajing)

154 CLUSTERs, 18480 PADs154 CLUSTERs, 18480 PADs Area totale del rivelatore: 6500 mArea totale del rivelatore: 6500 m22

Risoluzione angolare 0.5Risoluzione angolare 0.5oo

Misura del tempo e del numero di particelleMisura del tempo e del numero di particelle

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ARGO - YBJ (Yangbajing)ARGO - YBJ (Yangbajing)

Resistive Plate Chamber

Bassi costi, alta efficienza, buona risoluzione spaziale e temporale (<1ns), facilità di assemblaggio, struttura meccanica semplice, alta zona di copertura sensibile.