I Raggi Cosmici: Cosa sono e quando sono stati scoperti 1/3 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 1021 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.

I Raggi Cosmici: Cosa sono e quando sono stati scoperti 2/3 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.

Abbondanza degli elementi barre = sistema solare linea = raggi cosmici

R.C. - Spettro Energetico 1/4 Introduciamo alcune definizioni: Spettro differenziale : Spettro integrale: Intensità differenziale del flusso:

… piccola nota su l’anisotropia dei Raggi Cosmici 2/3 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: 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 Fl detta Forza di Lorentz, secondo la seguente formula:

R.C. - Distribuzione Angolare 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 Ii(0°) è l'intensità della componente del flusso che arriva perpendicolare alla superficie terrestre, mentre ni varia con il tipo di particella: vale 2,0 ± 0,5 per gli elettroni e 1,85± 0,10 per i muoni.

Raggi Cosmici: In prossimità della superficie terrestre 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. Nota: Sezione d’urto σ e libero cammino medio λ dei R.C. sono relazionati attraverso la: Λi -1 = (NA/A)*σi [g/cm2]-1 ---- λ=λi*ρ dove: A è il numero di massa del nucleo bersaglio. NA è il numero di Avogadro. σ è la sezione d’urto del processo di interazione con l’atomo stesso. ρ è la densità del mezzo attraversato, rappresenta il cammino medio che la particella percorre in un mezzo con numero di massa A prima di decadere Questa ha consentito di stimare che i protoni primari sono soggetti a circa 12 interazioni nell’attraversare verticalmente l’atmosfera terrestre fino al livello del mare.

Cascata fotoelettrica: R.C. Primari e Secondari 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 π0 è: 8,4 * 10-17 s Il tempo di vita medio di π+/π- è: 2,6 * 10-8 s

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

Simulazione di sciami di altissima energia (1016 e 1019 eV): http://th.physik.uni-frankfurt.de/~drescher/CASSIM/

Spettro Differenziale ed Intensità Integrale dei Muoni 1/2 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.

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

FOTOMOLTIPLICATORE Hamamatsu R5113-02 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 Rise Time 48 ns Rise Time 48 ns Transit time spread 5,8 ns - DINODI : per la moltiplicazione “ a cascata” del segnale Transit time spread 5,8 ns - ANODO : da cui viene prelevato il segnale di uscita

STRUMENTAZIONE ELETTRONICA L’apparato elettronico è costituito da diversi moduli alloggiati in due contenitori metallici chiamati crate Standard NIM 0 -> V = 0mV; 1 -> V = -700mV 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. 96 - 8 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 I collegamenti tra i moduli vengono realizzati tramite cavi coassiali: impedenza caratteristica di 50Ω; ritardo di 5 ns/m. - Scaler (CAEN mod. 45) : consente di contare gli impulsi NIM in ingresso. Ha 4 display ciascuno con un limite massimo di conteggio pari a Translator : dispositivo in grado di eseguire la conversione NIM/ECL o ECL/NIM di un segnale

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

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