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Extreme Energy Events La scienza nelle scuole R. Baldini, G. Bencivenni, G. Imponente, Silvia Miozzi.

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Presentazione sul tema: "Extreme Energy Events La scienza nelle scuole R. Baldini, G. Bencivenni, G. Imponente, Silvia Miozzi."— Transcript della presentazione:

1 Extreme Energy Events La scienza nelle scuole R. Baldini, G. Bencivenni, G. Imponente, Silvia Miozzi

2 Il progetto EEE ha come obiettivo il coinvolgimento dei giovani in unesperienza scientifica che prevede la costruzione e linstallazione, nelle loro scuole, di rilevatori in grado di osservare i raggi cosmici. I Raggi Cosmici sono particelle subatomiche con energie molto varie, eV. Apparentemente molto lontane da noi, in realtà si devono a loro molte mutazioni genetiche e variazioni climatiche; inoltre costituiscono la cenere del Big Bang e consentono lo studio delluniverso.

3 Le domande importanti 1. Cosa sono i Raggi Cosmici ? 2. Da dove provengono ? 3. Come sono prodotti ? 4. Qualè la loro energia ? 5. Come si studiano ?

4 Cosa sono i Raggi Cosmici? Sono una delle principali componenti dellUniverso 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 sullUniverso e sugli oggetti che lo popolano

5 Quali particelle formano i Raggi Cosmici ? nuclei di atomi I raggi cosmici sono nuclei di atomi di materia ordinaria: ~ 90% Idrogeno ~ 9 % Elio ~ 1 % tutti gli altri nuclei Latomo piú comune nell Universo é latomo di Idrogeno. Il suo nucleo é costituito da un protone. elettrone nucleo (protoni + neutroni)

6 Da dove vengono i Raggi Cosmici ? 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 dellUniverso ??? Lidentificazione delle sorgenti di R.C. è correlata con la loro energia

7 Lenergia dei Raggi Cosmici elettron-volt (eV) Nello studio dei R.C. si utilizza lelettron-volt (eV) La luce = radiazione elettromagnetica costituita da fotoni di energia pari a circa 1 eV. Energia di una molecola daria in questa stanza = 0.03 eV Ma quanta energia è 1 eV ? Ma quanta energia è 1 eV ? 1 eV = 1.6 · J 1 eV/c 2 = 1.8 · Kg

8 Che energia hanno i Raggi Cosmici ? I R.C. sono particelle con energie che vanno dai milioni di eV (MeV) fino a 100 miliardi di miliardi di eV (10 20 eV) !!!! raggi X 2 x massa e - massa protone LHC Energiaabbreviazione 10 3 eV = 1,000 eVKeV = Kilo eV 10 6 eV = 1,000,000 eVMeV = Mega eV 10 9 eV = 1,000,000,000 eVGeV = Giga eV eV = 1,000,000,000,000 eVTeV = Tera eV eV = 1,000,000,000,000,000 eVPeV = Peta eV eV = 1,000,000,000,000,000,000 eVEeV = Exa eV eV = 1,000,000,000,000,000,000,000 eVZeV = Zetta eV Si utilizzano multipli dellelettron-Volt

9 Lo Spettro dei Raggi Cosmici Knee 1 p/(m 2 y) 1 p/(km 2 y) 1 p/(m 2 sec) Fino a eV !!!

10 Che cosa significa … ? Esempio: voglio rivelare 100 sciami con unenergia di ~10 19 eV So che di questi eventi ne arriva 1 ogni anno su un km 2 di superficie. Come faccio a vederne 100 ? Se costruisco un rivelatore grande 1 km 2 devo aspettare 100 anni… Ma, come noto, la vita è breve e abbiamo tante altre cose da fare ! Allora faccio un rivelatore grande 100 km 2 ed aspetto solo 1 anno. E questo il motivo che spinge ad utilizzare tanti siti tra loro anche molto distanti !

11 Quanti Raggi Cosmici ci raggiungono? I raggi cosmici bombardano continuamente la Terra da ogni direzione. Fuori dallatmosfera terrestre su ogni metro quadrato piovono circa particelle ogni secondo !!! Latmosfera terrestre assorbe la maggior parte dei raggi cosmici.

12 I Raggi Cosmici e latmosfera Quando un Raggio Cosmico raggiunge latmosfera terrestre a)la particella primaria collide con i nuclei dellaria 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 unarea la cui estensione può essere anche di diversi km 2.

13 Gli Sciami Atmosferici Estesi (EAS) Sono il risultato dellinterazione dei Raggi Cosmici con latmosfera. Raggio Cosmico primario

14 Caratteristiche degli EAS asse fronte dello sciame curvatura core ~20ns ~2ns L t atmosfera Griglia di rivelatori

15 Cosa contengono gli sciami ? Protone (o nucleo) primario interagisce nellatmosfera Produzione di mesoni + / - Produzione di 0 Produzione di nucleoni Decadimento + Decad. del 0 Decadimento + e 123

16 I muoni µ Sono particelle elementari (leptoni). Sono prodotti nelle prime interazioni del Raggio Cosmico primario con latmosfera. Si muovono verso il suolo con una traiettoria quasi parallela a quella del RC primario. Possono avere unenergia molto elevata: quelli più energetici sono studiati in laboratori sotterranei, sotto grandi spessori di roccia.

17 Esiste un orizzonte dei RC ? Domanda bizzarra, ma non troppo a pensarci bene…! Dalla nostra esperienza quotidiana sappiamo tutti cosè lorizzonte: linea ideale che delimita il raggio visuale di un dato luogo dal greco circolo che delimita. E allora se guardiamo il cosmo con gli occhi della radiazione cosmica che ci raggiunge, esiste un limite oltre il quale non vediamo ? Esiste una confine tale che se una sorgente è al di là di esso la radiazione cosmica che ci invia non ci raggiunge ? Sembra di sì ! Effetto GZK (Greisen-Zatsepin-Kuzmin)

18 CR Energy spectrum Sources and acceleration mechanism for UHECR production (E >10 19 eV) are unknown Sources must be < 50 Mpc !!! Above eV we expect a cut-off (GZK mechanism) CR with energy in excess of eV have been detected Greisen-Zatsepin-Kuzmin Supression: Photo-production of pions from CMBR P γ3K Δ π

19 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)

20 On December 3,1993 the AGASA (Japan) array recorded a very large air shower. This very special event was particularly well measured because the air shower fell completely inside the detector array and arrived from a nearly vertical direction. This air shower was produced by a cosmic ray with an energy of about 2x10 20 eV. This is the highest-energy cosmic ray observed at AGASA; and, like the Fly's Eye event in Utah, it has an energy well above the expected from any known source. The AGASA Experiment 111 surface electron detectors of 2,2 m 2 area Covered area 100 km 2 Typical Event 0 4km

21 HiRes Array (Utah) 67 Flys eyes detector 1,5 m diameter

22 The Auger observatory Argentina

23 TA is an Hybrid Detector (Utah) T A Full array will consist of 576 detectors on 1.2 km grid (approximately 20 km × 30 km)

24 Correlated showers Sign of extreme energy universe may come not as a single OMG (Oh My God) event but rather as a burst of events of more modest energy. Possible sources could be: Active stars burst gamma-ray burst Extreme High Energy CR decay products 1975 a cluster of EAS with estimated energy of eV has been observed in two different stations 250 Km apart.

25 Detector network Detection of single OMG event require dense EAS array and/or atmospheric fluorescence detectors with detector spacing of the order of a Km. Large detection area is also required Using GPS technology it is possible to perform precision timing over ultra large area with detectors network. Large Area Air Shower array (1990) is 10 compact EAS array spread across Japan and cover an area of the order of Km 2

26 Lavorare con le scuole Linstallazione di un large area array richiede una zona molto estesa e poco popolata Oppure una zona molto estesa e densamente popolata con molte scuole

27 Mediante rivelatori non troppo distanti (scuole lontane pochi km, si possono rivelare Raggi Cosmici UHE (Ultra High Energy, – eV) contandoli e cercando di identificarne la sorgente di provenienza… …e si può cercare di capire se lorizzonte dei Raggi Cosmici esista o meno ! Lavorare con le scuole

28 Coinvolgere studenti e insegnanti in unesperienza unica sia dal punto di vista didattico sia di partecipazione attiva ad un vero esperimento

29 EEE project The Italian Extreme Energy Events (EEE) project has adopted Multigap Resistive Plate Chambers (MRPC) as their basic detector element. These allows a precise measurements of the direction and time of arrival of the muon component of cosmic ray showers. The aim of this project is to have a system of MRPC telescopes distributed over all Italian territory Well call UHECR event a coincidence between signals in a very narrow time and angular window To localize the sites a GPS system is used

30 EEE project 2005/6 : inizia la costruzione per 7 scuole in 7 città 2007 : 21 scuole in 7 città … 100 scuole in lista dattesa

31 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

32 NALTA Network Most of the major groups in Canada and USA have formed a loose collaboration (North American Large-area 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.

33 The main characteristics of the detector are very good time resolution and good tracking performances EEE MRPC Three MRPC chambers form a telescope that can reconstruct the trajectory of cosmic muons in a shower

34 Gli MRPC di EEE Miscela di gas densi e veloci = 95% C 2 H 2 F 4 5% SF 6 6 gap da 300 m 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 ps Risoluzione spaziale 1 cm 2 Multigap Resistive Plate Chamber

35 Typical EEE array The local array is composed by at least three telescopes at a distance of about 1 Km using a GPS for precise local and global coincidence timing Coincidence events preselection using GPS and tracking information's Fine analysis of the events based on time resolution performances (direction and arrival time of the shower)

36 studenti e insegnanti di 7 città italiane trascorrono una settimana ai laboratori del CERN di Ginevra per costruire gli MRPC maggio-luglio 2005 Prima fase:

37 Studenti e insegnanti lavorano al fianco dei ricercatori… …in un ambiente internazionale maggio-luglio 2005 Jin Sook Kim Despina Hatzifotiadou

38 Trasporto eccezionale dal CERN… Dicembre 2005

39 …alle 7 città italiane Torino Cagliari Bologna LNGS Lecce Catania Ginevra Dicembre 2005

40 Riprende la costruzione al CERN Gennaio 2006 Cosa succede intanto nei 7 siti italiani?

41 INFN educational : seminari Le particelle elementari Il modello standard La radiazione cosmica I rivelatori di particelle Elettronica digitale Aquisizione dati

42 INFN educational: Febbraio – maggio 2006 corso pratico Costruzione di un MRPC

43 Test e misure Febbraio – maggio 2006

44 Liceo B.Touschek – Grottaferrata (RM) First EEE site 2006 May 30

45 LNF 0,9 Km 1 Km Sito EEE di Frascati in attesa delle prime coincidenze 96 studenti 15 insegnanti


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