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 I raggi cosmici (RC) sono principalmente fasci di protoni, particelle alfa, elettroni, nuclei atomici (fino al ferro), γ -rays e neutrini ad alta energia.

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1  I raggi cosmici (RC) sono principalmente fasci di protoni, particelle alfa, elettroni, nuclei atomici (fino al ferro), γ -rays e neutrini ad alta energia (fino a eV) provenienti dallo spazio interstellare.  Sono stati scoperti nel 1912 quando l’unica particella nota era l’elettrone, e Niels Bohr non aveva ancora presentato la sua teoria atomica.  Victor Hess osservò che la conduttività elettrica dell’atmosfera terrestre poteva essere attribuita a fenomeni di ionizzazione causati dall’interazione con una radiazione energetica … inoltre, osservò che la ionizzazione dei gas atmosferici aumentava all’aumentare dell’altitudine, quindi, ne dedusse che la radiazione responsabile della ionizzazione doveva essere di origine extraterrestre. 1

2  In seguito a queste osservazioni furono effettuati studi ed esperimenti sul Sole in quanto indicato come causa principale dell’extra-ionizzazione dell’atmosfera terrestre.  Nelle fasi attive il Sole emette R.C. di bassa energia, ma questi eventi sono poco frequenti per spiegare la gran quantità di R.C. rivelati.  Altre teorie suggeriscono che i R.C. provengano dalle stelle binarie X come Cygnus X-3. 2

3 Abbondanza degli elementi barre = sistema solare linea = raggi cosmici

4 4 Introduciamo alcune definizioni: Spettro differenziale : Spettro integrale: Intensità differenziale del flusso:

5 Ricordiamo: Data una carica elettrica puntiforme q in moto con velocità v in una regione caratterizzata dalla presenza di un campo di induzione magnetica B, sulla suddetta carica agirà una forza F l detta Forza di Lorentz, secondo la seguente formula:  Le particelle costituenti i R.C. sono cariche, quindi, influenzate dal campo magnetico B. Un flusso di particelle cariche possiede una rigidità magnetica (momento magnetico /carica unitaria). Se la rigidità magnetica è alta il flusso riesce ad attraversare il campo magnetico, inoltre, le particelle seguiranno una traiettoria curva il cui raggio è quello di Larmor: 5

6 6  I R.C. sono anche influenzati dallo spessore dell’atmosfera terrestre, in particolare, l’intensità del flusso varia in base alle coordinate geografiche e alle stagioni terrestri.  Tale flusso segue la legge qui riportata, mostrando una certa indipendenza dalla coordinata azimutale α:  Dove I i ( 0 °) è l'intensità della componente del flusso che arriva perpendicolare alla superficie terrestre, mentre n i varia con il tipo di particella: vale 2, 0 ± 0,5 per gli elettroni e 1,85± 0,1 0 per i muoni.

7 In prossimità dell’atmosfera terrestre, la radiazione cosmica incidente (detta primaria) durante l’attraversamento dell’atmosfera terrestre perde energia e cambia la sua composizione interagendo (con processi forti, elettromagnetici e deboli ) con i nuclei atomici delle molecole d’aria: vengono prodotti così sciami aerei di particelle (EAS - Extended Air Shower) che vengono indicati come radiazione cosmica secondaria. 7

8 Osserviamo i particolari che ci interessano della cascata, e cioè i processi di decadimento della componente muonica ed elettromagnetica, dai quali si producono i pioni i quali produrranno i muoni che ci interessano …  Il tempo di vita medio di π 0 è: 8,4 * s  Il tempo di vita medio di π + /π - è: 2,6 * s 8

9 9 1.Gli EAS man mano che si propagano nell’atmosfera aumentano il numero delle particelle secondarie fino a raggiungere un massimo. 2.Nel prosieguo dello sviluppo l’energia delle particelle secondarie si fa sempre minore e cominciano i processi di assorbimento che ne riducono la dimensione. 3.Se l’energia del primario non è sufficientemente alta lo sciame può essere riassorbito completamente prima di giungere al suolo. Km  7 Km

10 Simulazione di sciami di altissima energia (10 16 e eV) : 10

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20  Lo spettro energetico dei muoni allo zenit è stato misurato entro un ampio range di energia (0,2 ÷ 1000) GeV/c, effettuando misure indipendenti in differenti sottorange energetici. In figura vengono riportati i risultati sperimentali per lo spettro differenziale e per lo spettro integrale dei muoni allo zenit ed al livello del mare. 20

21 Fotorivelatori a scintillazione Materiali che producono scintillazione al passaggio di una particella ionizzante Fotoni sono trasmessi attraverso la guida di luce al PMT Il PMT converte i fotoni in segnale elettrico e lo amplifica

22 FOTOMOLTIPLICATORE Dispositivo che converte un segnale luminoso in ingresso in un segnale elettrico di uscita E’ costituito da un tubo sottovuoto al cui interno trovano posto: - FOTOCATODO : materiale fotosensibile con efficienza quantica da massimizzare - ELETTRODO FOCALIZZANTE : per convogliare gli elettroni - DINODI : per la moltiplicazione “ a cascata” del segnale - ANODO : da cui viene prelevato il segnale di uscita Rise Time 48 ns Transit time spread 5,8 ns Rise Time 48 ns Transit time spread 5,8 ns Hamamatsu R

23 STRUMENTAZIONE ELETTRONICA L’apparato elettronico è costituito da diversi moduli alloggiati in due contenitori metallici chiamati crate Il primo è un crate NIM provvisto di 12 slot alimentati da 6 tensioni in continua (±6V, ±12V, ±24V) - Modulo di ritardo /CAEN Dual Delay N 108) : strumento costituito da due sezioni distinte che forniscono in uscita il segnale di ingresso ritardato di una quantità compresa tra 3,5 e 35 ns regolabile manualmente a passi do 0,5 ns - Dual Timer (CAEN mod. 225b) : dispositivo che consente di impostare ritardi compresi tra pochi ns e qualche secondo. Ha un ingresso e due uscite denominate OUT e ENDMARKER. La prima fornisce un segnale NIM simultaneo al segnale di entrata e di durata regolabile. La seconda restituisce un segnale ritardato, rispetto a quello di ingresso, del valore impostato - Discriminatore (CAEN mod canali) : strumento che fornisce in uscita un segnale logico NIM solo se il segnale di ingresso supera una certa soglia. 2 uscite parallele e 1 uscita “negata” - Modulo di coincidenza (AND INFN-NA) : porta AND che compara due segnali NIM e, se si sovrappongono di almeno il 50 %, genera in uscita un segnale NIM - Scaler (CAEN mod. 45) : consente di contare gli impulsi NIM in ingresso. Ha 4 display ciascuno con un limite massimo di conteggio pari a Standard NIM 0 -> V = 0mV; 1 -> V = -700mV I collegamenti tra i moduli vengono realizzati tramite cavi coassiali:  impedenza caratteristica di 50Ω;  ritardo di 5 ns/m. I collegamenti tra i moduli vengono realizzati tramite cavi coassiali:  impedenza caratteristica di 50Ω;  ritardo di 5 ns/m. -Translator : dispositivo in grado di eseguire la conversione NIM/ECL o ECL/NIM di un segnale ? 23

24 DISTRIBUZIONE ANGOLARE angolo zenitale - Misurate le coincidenze doppie al variare dell’angolo zenitale -Per massimizzare l’efficienza di selezione del segnale è stata scelta un’alta tensione di alimentazione e una bassa soglia di discriminazione - - Ci aspettiamo che il rate di coincidenze doppie casuali (rumore) sia piccolo: 10 cm Δt=22ns 24

25 DISTRIBUZIONE ANGOLARE: FIT - I dati sono distribuiti secondo la distribuzione attesa I =J(∞)2π/3 25


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