Il Progetto EEE (Extreme Energy Events): un...
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www.centrofermi.it/eee/
Il Progetto EEE (Extreme Energy Events):
un progetto innovativo per le scuole. Stato e prospettiveG. Sartorelli
E. Bressan
2GPS
m
GPGPS
mm
Finalità Scientifica
Rivelare e studiare sciamiprodotti da raggi cosmici diestrema energia attraversola rivelazione a terra deimuoni dello sciameutilizzando un array estesodi telescopi dotati di GPSper la sincronizzazionetemporale
Finalità di Educazione Scientifica
Studenti delle scuole MedieSecondarie di tuttaItalia sono chiamati apartecipare attivamentealla:
Costruzione del propriorivelatore;
Installazione e messa infunzione e monitoraggioquotidiano dell’apparato;
Analisi dati raccolti.
Fase iniziale sette città pilota
GPSmGPGPS
mm
GPSmGPGPS
mm
GPSmGPGPS
mm
GPSmGPGPS
mm
GPSmGPGPS
mm
GPSmGPGPS
mmGPSmGPGPS
mm
Il Progetto EEE: la struttura
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1. Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “Enrico Fermi”
2. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)
3. Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV)
4. Fondazione e Centro di Cultura Scientifica “Ettore Majorana” (EMFCSC)
5. Centro Europeo di Ricerche in Fisica Nucleare e Subnucleare (CERN)
6. Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)
7. Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR)
8. World Laboratory (WORLDLAB)
Gli istituti finanziatori
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Il Progetto EEE: la fisica e la
struttura dell’esperimento
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Lo spettro dei raggi cosmici è ben conosciuto e compreso a basse energie, mentre la determinazione di punti sperimentali ad alta ed altissima energia (E >1018 eV) è ancora in corso.
• Spettro piatto alle basse energie (E<1018 eV)– “Ginocchio” a 1015eV– Sorgenti galattiche
• Cambiamento di pendenza per le alte energie (E>1018 eV)– GZK cutoff– Sorgenti extragalattiche
• Mancano informazioni dettagliate sull’esistenza, sulle sorgenti e sul modello di propagazione dei raggi cosmici primari
La fisica dell’esperimento
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Perché utilizzare un array esteso di rivelatori Dato il bassissimo flusso, occorre:
– Una grande superficie sensibile, S
– Una grande accettanza per avere una grande statistica
– Un grande tempo di esposizione T
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Array di telescopi di MRPC
su tutta la superficie italiana
a. Rivelazione di raggi cosmici di energia
estrema
b. Identificazione di zone privilegiate di
arrivo
c. Studio su piccola (singola città) e grande
scala (città diverse) di sciami
d. Ricerca di coincidenze tra particelle dello
stesso sciame e tra sciami distanti grazie
alla sincronizzazione dei telescopi tramite
un sistema GPS (assegnazione di un
tempo assoluto ad ogni evento)
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19 città coinvolte nel Progetto con 35 telescopi installati
La struttura dell’esperimento
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• Costruiti al CERN dal 2005 al 2009.
• Una scuola ogni settimana: 1 docente e 5-6 studenti sotto la supervisione di personale ricercatore.
• 1 telescopio costruito in ogni stage
• Ogni telescopio è stato trasportato presso la sezione INFN di riferimento per i test di funzionamento.
Costruzione dei rivelatori
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Il rivelatore del Progetto EEE: MRPC
gas gaps 300 μm
cathode (resistive layer –
HV)
vetronite panel
vetronite panel
mylar
mylar
15 mm honeycomb
15 mm honeycomb
glass plates
(1.1mm)
readout strips
anode(resistive
layer +HV)
readout strips
GAS miscela di C2H2F4 + SF6 (98% + 2%) flusso 1.5 l/h
ALIMENTAZIONE ~ 20 kV
AREA SENSIBILE (160 x 82) cm2
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Il rivelatore: alcuni dettagli (1)
Gas system
24 strip: (160 x 2.5) cm
Gas gap di 300 mm tra i vetri
Front End Card
HV system: 10 kV
tramite DC/DC converter
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USB connection
to PC
Il rivelatore: alcuni dettagli (2)x Determinazione del punto di impatto
della particella in ogni piano sensibile
Ricostruzione della traccia
y
VME crate
CAEN
Mod.8010from FEA cards
VME Bridge
CAEN Mod.
V1718Trigger unit GPS Unit
TDCs
GPS
Interface
Telescopi distanti sono sincronizzati con un modulo GPS
che fornisce il tempo UTC di ogni evento rivelato.
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Test dei rivelatoriRisoluzione spaziale
dx = 0,7 cm
EFFICIENZA: scelta della miscela
EFFICIENZA: scelta della tensione di lavoro
dy = 2,1 cm
DTteorico – DTmisurato(ns)
Tutte le MRPC funzionano correttamente
e soddisfano i requisiti dell’esperimento
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Simulazione Monte Carlo:
studio delle performance del
telescopio
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Sono stati generati 107 muoni campionando per ognuno di questi una direzione di arrivo
uniformemente nell'emisfero superiore che circonda il telescopio al fine di:
Prestazioni del singolo telescopio
A = 0.35 m2sr
valutare l’accettanza
di rivelazione del telescopio
valutare la risoluzione angolare
del telescopio
dθ < 1°
dφ ≈ 2°
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Simulazione Monte Carlo:
studio di griglie di telescopi
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1- Generazione degli sciami
2-Generazione del core dello sciame
3-Conteggio dei muoni rivelati
4-Stima dell’accettanza
5-Stima del numero di eventi
INFN
Liceo Sabin
Liceo Galvani
Liceo Fermi
~ 1000 m
~ 2200 m
~ 2300 m
~ 1600 m
L’accettanza è definita come
A=S*(Nrivelati/Ngenerati)
S= Area di campionamento
max
min
)(
E
E
EV AdETEN
Simulazione completa della risposta della griglia di
rivelazione
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Definizione della geometria della griglia di rivelatori
Simulazione del punto di impatto dell'asse dello sciame a terra
Simulazione dei punti di impatto e delle direzioni dei muoni a terra
Ricerca delle coincidenze in più di un telescopio
Core
Telescopio
Obiettivo:
Velocizzare il processo di simulazione rispetto a quella completa e disporre di un valido
strumento per studiare le prestazioni di varie configurazioni di griglie.
Simulazione con parametrizzazione della risposta della
griglia di rivelazione
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Griglie in esame: Bologna e L’Aquila
BOLOGNA
Liceo 2
(100,0)Liceo 1
(-100,0)
200 m
L’AQUILA
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
x (m)
2678 m 700 m
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Risultati: griglia di Bologna
Valori consistenti con quelli ottenuti con la simulazione completa
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Risultati: griglia de L’Aquila
Valori consistenti con quelli ottenuti con
la simulazione completa
( )( )
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Analisi dati
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Dopo alcuni run di test tra la fine del 2008 e
l’inizio del 2009 è iniziata la fase di presa dati
in continua.
Situazione attualeSiti sperimentali in Emilia Romagna
INFN
Liceo Sabin
Liceo GalvaniLiceo Fermi
~ 1000 m
~ 2200 m
~ 2300 m
~ 1600 m
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I set di dati analizzati
2009
2010
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L'analisi effettuata prevede la ricerca delle coincidenze di muoni in telescopi diversi la cui
differenza di tempi UTC, Tev, sia minore di una determinata quantità Tcoinc:
Ricerca di coincidenze in 2 telescopi (1)
La finestra temporale è stata determinata valutando la
massima differenza di tempo di arrivo al livello del mare
di muoni appartenenti allo stesso sciame.
Considerando la distanza media tra i telescopi a Bologna
Tcoinc è stata fissata a 10 ms.
INFN-GALVANI 2009 INFN-GALVANI 2010
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I risultati mostrano che il numero di coincidenze osservate è compatibile con il numero di
coincidenze accidentali attese.
Ricerca di coincidenze in 2 telescopi (2)INFN-GALVANI 2009 INFN-GALVANI 2010
Quanto misurato è in accordo con quanto previsto dalla simulazione: la distanza tra i telescopi
presenti a Bologna è tale da permettere la selezione di raggi cosmici primari di alta energia
(E > 1016 eV) il cui flusso è però basso (10-13 cm-2 s-1 sr-1) (300 eventi all’anno attesi)
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• Parallelismo delle tracce
ricostruite nei due telescopi:
sono stati selezionati solo gli
eventi in cui le tracce
ricostruite formano un angolo
minore di 10°.
• Eventi multi-traccia:
sono stati selezionati solo gli
eventi in cui più di un muone
è rivelato in almeno un
telescopio.
I risultati indicano che pur
avendo ridotto il fondo
dovuto alle coincidenze
accidentali, non si ha
evidenza di segnali dovuti a
muoni appartenenti allo
stesso sciame.Risultati analoghi per la coincidenza INFN-FERMI
Criteri di selezione (1)
INFN-GALVANI 2009
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Avendo a disposizione periodi di presa dati con i 3 telescopi dell’area di Bologna abbiamo
ricercato le coincidenze triple.
Criteri di selezione (2)
Riduzione di un fattore 103 del fondo dovuto a coincidenze accidentali
Non si ha evidenza di coincidenze riconducibili a muoni appartenenti allo stesso sciame
I Periodo II Periodo
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Aggiornamento Bologna 2011
Coincidenze attese 159900
Coincidenze trovate 156840
Tempo vivo 3940 h
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Risultati de L’AquilaL'analisi ha evidenziato un rate di coincidenze di circa 7.6 eventi/ora.
Quanto osservato è ancora una volta in buon accordo con le previsioni fatte con la simulazione
Monte Carlo: il rate di eventi attesi in telescopi posizionati a 200 metri di distanza è di circa 4
eventi/ora.
Criterio di selezione:
Eventi multi-traccia
Criterio di selezione:
Tracce parallele
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Il Progetto EEE a Bologna:
attività nelle scuole
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1. Preparazione al turno di costruzione delle MRPC: prima della partenza per Ginevraabbiamo svolto incontri di formazione con studenti e professori;
2. Approfondimento delle tematiche relative al Progetto EEE: sono stati organizzatialcuni incontri in ciascuna scuola per approfondire il tema dei raggi cosmici ma anchedei rivelatori di particelle, con particolare attenzione alle MRPC del Progetto EEE;
3. Formazione di studenti e professori: terminata l’installazione dei telescopi nelle scuoleabbiamo organizzato incontri formativi concernenti le fasi operative di monitoraggiodel telescopio.
RISULTATO:
ABBIAMO ACQUISITO DATI CONTINUATIVAMENTE PER UN LUNGOPERIODO;
4. Annualmente proponiamo attività della durata di qualche mese finalizzate allarealizzazione di misure di carattere locale:
• Misura della risoluzione spaziale del rivelatore
• Flusso di muoni e condizioni ambientali
• Sviluppo di event-display
Nelle scuole
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Work in progress
Per migliorare le prestazioni dell’array ed essere in grado di rivelare coincidenze
anche a distanze elevate, sono sotto esame altre configurazioni:
1. Posizionare nella stessa stazione sperimentale, scuola o sezione INFN, più
telescopi in modo da aumentare la regione sensibile e l’accettanza di ogni sito
(configurazione attualmente sotto simulazione).
2. Dotare ogni stazione esistenze di un altro rivelatore (anche scintillatore) in modo
da fornire un pre-trigger e schermare dalle coincidenze occasionali.
3. Infittire la rete di telescopi su tutto il territorio italiano in maniera modulare.
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Costruzione e test di rivelatori d’avanguardia da usare su grande scala
Simulazione Monte Carlo:
• valutazione dell’accettanza di rivelazione e del flusso di eventi attesi in diverse griglie
• determinazione della soglia in energia dei raggi cosmici primari rivelabili in ogni
configurazione studiata (E > 1017 eV)
Analisi dati:
• Bologna: i risultati ottenuti sono consistenti con la rivelazione di coincidenze accidentali e, pur
riducendo il fondo selezionando opportunamente gli eventi, non si ha evidenza di segnale fisico
poichè la distanza attuale tra i telescopi è tale da selezionare eventi di alta energia il cui flusso è
però basso.
• L'Aquila: si evidenzia la presenza di coincidenze con un flusso di 8 ev/ora in buon accordo con
quanto previsto dalla simulazione (4 ev/ora).
Attività con i ragazzi dal 2005:
La fase di costruzione e messa in funzione dei detector, oltre aver dimostrato alto interesse e alta
efficienza lavorativa, ha permesso di ottenere rivelatori che soddisfano a pieno i requisiti richiesti
dall’esperimento.
Il controllo quotidiano degli studenti e la supervisione costante dei ricercatori ha permesso di
mantenere i rivelatori in funzione e in acquisizione dati per periodi molto lunghi.
La definizione di un programma a step per introdurre gli studenti all’analisi dati permette sia di
eseguire misure di fisica a carattere locale (efficienza di rivelazione, rate vs distanza, pressione
vs rate, effetto Furbush etc) sia la ricerca di coincidenze tra telescopi distanti.
Conclusioni
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Misura locale: effetto Furbush feb2011
@Bologna
@Catania
Pressure
Rate
Corrected rate
Observation of the February 2011 Forbush decrease
by the EEE telescopes Eur. Phys. J. Plus (2011) 126: 61
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Back-up
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Le tracce ricostruite: singolo hit
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Le tracce ricostruite: singolo cluster
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Le tracce ricostruite: multihit
Work in progress
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Le tracce ricostruite: selezione sui multihit
Work in progress
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Il flusso di particelle caricheche incide su una superficie
orizzontale al livello del mare è ~ 200 particelle/(m2 s).
• Sommità dell’atmosferacomponente primariaprotoni (~ 92%)nuclei elio (~ 6%)nuclei più pesanti (~ 1%)elettroni (~ 1%)raggi gamma (~ 0.1%)
• Interazioni tra primarioe molecole dell’atmosfera componente secondaria
elettroni, neutrini, pioni, kaoni e muoni …
I Raggi Cosmici: composizione
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Main goals
• Studiare la fisica dei Raggi Cosmici di altissima energia attraverso un array di telescopi su tutto il territorio italiano.
• Portare la scienza nel cuore dei giovanitramite il coinvolgimento diretto di
studenti in tutte le fasi dell’esperimento
Il Progetto EEE
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Il Progetto EEE intende studiare la regione di
più alta energia
Flusso abbondante
Eventi rari1 evento all’anno per km2
NB: se ne volessimo rivelare 100abbiamo 2 possibilità:1-costruire un rivelatore di 1 km2
e aspettare 100 anni2-costruire un rivelatore di 100km2 e aspettare 1 anno
La fisica dell’esperimento
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asse
fronte dello sciame
curvatura
core
atmosfera
Griglia di rivelatori
Dato il bassissimo flusso, occorre:
– Una grande superficie sensibile, S
– Una grande accettanza per avere una grande
statistica
– Un grande tempo di esposizione T
S
Il flusso di primari con energia Eo>1019 eV è circa:
1 particella per km2-sr-anno
La fisica dell’esperimento
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• Necessità di costruire un array esteso
• Grande numero di telescopi
• Costo ragionevole
• Funzionalità a lungo termine
• Alta efficienza
• Ricostruzione della direzione dei muoni
• Buona risoluzione temporale
La scelta è un telescopio costituito da 3 piani di MRPC di 80160 cm2 di area sensibile
I requisiti del rivelatore
m
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105 rivelatori in 19 città.
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Simulazione Monte Carlo degli
sciami estesi
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Caratteristiche di muoni con E =1018 eV Distribuzione x-y
Distribuzione dei tempi di arrivo
Time of arrival (ns) Φ(deg)
θ(deg)
Distribuzione angolo zenithale
Distribuzione angolo azimuthale
Per valutare le prestazioni delle griglie di telescopi, sono state studiate le caratteristiche degli
sciami estesi generati da raggi cosmici primari, tramite il codice di simulazione COSMOS.
Sono stati generati sciami estesi iniziati da protoni primari in un intervallo di energia compreso
tra 1014 eV e 1019 eV (con passo di 100.1 eV).
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Distribuzione dell’energia media
dei muoni (Em) in funzione della
distanza dall’asse dello sciame
Distribuzione del numero medio di muoni
(Nm) a terra in funzione dell’energia del
raggio cosmico primario
(Nm)
Utilizzando gli sciami estesi prodotti da
protoni abbiamo costruito la distribuzione
della densità media dei muoni a terra in
funzione della distanza dall'asse dello
sciame suddividendo l’area a terra in
corone circolari larghe 100 metri.
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Obiettivo:
Velocizzare il processo di simulazione rispetto a quella completa e disporre di un
valido strumento per studiare le prestazioni di varie configurazioni di griglie.
Procedura:
FASE 1 - costruzione, per ogni energia del primario, di tabelle contenenti le caratteristiche dei
primari e quelle dei muoni quali:
la distribuzione laterale dei muoni a terra;
le distribuzioni degli angoli zenitali e azimutali dei muoni al variare della distanza
dall'asse dello sciame.
FASE 2 - impostazione dei parametri necessari alla simulazione:
il numero e le posizioni dei rivelatori;
l'energia del primario incidente, variabile tra 1014 eV a 1019 eV;
il numero di primari da generare;
le dimensioni reali dei rivelatori.
FASE 3 - generazione e analisi dei risultati.
Simulazione con parametrizzazione della risposta della
griglia di rivelazione