La scienza nella scuola Extreme Energy Events La scienza nella scuola silvia.miozzi@lnf.infn.it

Il progetto EEE ha come obiettivo il coinvolgimento dei giovani in un’esperienza scientifica che prevede la costruzione e l’installazione, nelle loro scuole, di rivelatori in grado di osservare i raggi cosmici. I Raggi Cosmici sono particelle subatomiche con energie molto varie, 109-1021 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 dell’universo.

Cosa sono i Raggi Cosmici? Sono una delle principali componenti dell’Universo 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 sull’Universo e sugli oggetti che lo popolano

Aurore Polari Sono generate da particelle elemetari emesse dal Sole che giungendo in prossimita’ della Terra vengono deviate dal campo magnetico terrestre e attratte ai suoi poli. Quando raggiungono la ionosfera interagiscono con l’azoto e l’ossigeno che eccitandosi emettono I loro sprettri caratteristici.

prende vita la fisica delle particelle elementari I Raggi Cosmici sono i primi acceleratori di particelle e sono gratis…!!!

La scoperta delle particelle

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

Da dove vengono i Raggi Cosmici ? L’identificazione delle sorgenti di R.C. è legata alla loro energia 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 dell’Universo....... ???

Lo “Spettro” dei Raggi Cosmici Knee 1 p/(m2y) 1 p/(km2y) 1 p/(m2sec) Fino a 1020 eV !!!

Quanti Raggi Cosmici ci raggiungono? I raggi cosmici bombardano continuamente la Terra da ogni direzione. Fuori dall’atmosfera terrestre su ogni metro quadrato “piovono” circa 30000 particelle ogni secondo !!! L’atmosfera terrestre assorbe la maggior parte dei raggi cosmici.

I Raggi Cosmici e l’atmosfera Quando un Raggio Cosmico raggiunge l’atmosfera terrestre la particella primaria collide con i nuclei dell’aria provocando una cascata di particelle secondarie di energia più bassa, che a loro volta subiscono ulteriori collisioni producendo uno sciame di miliardi e più di particelle che raggiungono il suolo terrestre in un’area la cui estensione può essere anche di diversi km2.

“Energia” “Quantità”

CR Energy spectrum P Ｎ Δ π γ3K Above 1020 eV we expect a cut-off (GZK mechanism) CR with energy in excess of 1020 eV have been detected Greisen-Zatsepin-Kuzmin Supression: Photo-production of pions from CMBR P γ3K Δ Ｎ　 π Sources and acceleration mechanism for UHECR production (E >1019 eV) are unknown Sources must be < 50 Mpc !!!

Ricerche con palloni

Ricerche con satelliti

Ricerche nello spazio

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)

The AGASA Experiment 111 surface electron detectors of 2,2 m2 area Il 3 dicembre 1993 i rivelatori dell’esperimento AGASA (Giappone) hanno registrato l’arrivo di uno sciame di energia particolarmente elevata. Questo speciale evento è stato misurato particolarmente bene perchè lo sciame, prodotto da un raggio cosmico con un’energia di circa 2x1020 eV e arrivato verticalmente, è caduto completamente sui rivelatori. La sua energia è molto al di sopra di quella aspettata se proveniente da sorgente nota. 0 4km Typical Event The AGASA Experiment 111 surface electron detectors of 2,2 m2 area Covered area 100 km2

HiRes Array (Utah) 67 Fly’s eyes detector 1,5 m diameter

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

The Auger observatory Argentina

The Auger first results (2007) The celestial sphere in galactic coordinates showing the arrival directions of the 27 highest energy cosmic rays detected by Auger. The energies are greater than 57 x 1018 eV (57 EeV) Active galactic nuclei (AGN) are the most likely candidate for the source of the highest-energy cosmic rays that hit Earth. The GZK mechanism is also confirmed

Results from Pierre Auger observatory (2013)

Sciami correlati Sign of extreme energy universe may come not as a single OMG (Oh My God) event but rather as 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  1021 eV has been observed in two different stations 250 Km apart.

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 30.000 Km2

Lavorare con le scuole L’installazione di un large area array richiede una zona molto estesa e poco popolata Oppure una zona molto estesa e densamente popolata con molte scuole 1999 in Alberta (Canada) ALTA (Alberta Large-area Time-coincidence Array) comincia a prendere dati con la collaborazione di tre scuole

Lavorare con le scuole Coinvolgere studenti e insegnanti in un’esperienza unica sia dal punto di vista didattico sia di partecipazione attiva ad un vero esperimento

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.

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

EEE project Il Progetto EEE (Extreme Energy Events) utilizza rivelatori a gas in grado di misurare con grande precisione il tempo di arrivo e la direzione della componente muonica dello sciame Questi rivelatori denominati MRPC (Multigap Restive Plate Chamber) sono distribuiti su tutto il territorio nazionale La ricerca degli eventi ad alta energia viene fatta cercando segnali in coincidenza tra stazioni lontane

EEE project 2005 : inizia la costruzione per 7 scuole in 7 città 2009 : completata costruzione per altre 11 scuole 2012: installate le 11 stazioni precedenti e costruite 4 nuove stazioni 2014 : costruzione 5 stazioni 2015: costruzione 3 stazioni

Obiettivo del Progetto EEE Rivelazione sciami estesi di raggi cosmici ad alta energia tramite il campionamento della componente muonica utilizzando una rete di rivelatori sparsi sul territorio italiano

Perchè servono tanti rivelatori? Esempio: voglio rivelare 100 sciami con un’energia di ~1019 eV So che di questi eventi ne arriva 1 ogni anno su un km2 di superficie. Come faccio a vederne 100 ? Se costruisco un rivelatore grande 1 km2 devo aspettare 100 anni… Con un rivelatore grande 100 km2 aspetto solo 1 anno Tanti rivelatori vicini sono come un grande rivelatore

Cerchiamo le coincidenze L’energia e la direzione del raggio cosmico primario vengono determinate tramite il conteggio e la ricostruzione della direzione della componente muonica Due o più muoni rivelati da stazioni distanti provengono dallo stesso sciame se: sono contemporanei (entro un certo intervallo di tempo che dipende dalla distanza relativa delle stazioni, O(1ms)) hanno una piccola divergenza angolare (O(1°)) La correlazione degli eventi misurati da telescopi differenti si fa off-line utilizzando la tecnologia GPS che con una precisione di circa 100 ns individua eventi contemporanei

Il telescopio di EEE 80 cm 82 cm 160 cm  MRPC 1 MRPC 2 MRPC 3

Caratteristiche del telescopio Ottima risoluzione temporale Ottimo sistema di tracciamento per ricostruire la traiettoria del muone

Ottima risoluzione temporale : perchè? fronte dello sciame Lsinq = cDt Ldq = cdt dq = cdt/L cDt q L per migliorare la risoluzione angolare

Ottima risoluzione angolare L = 1000 m (distanza tra i rivelatori) dt= 100ps =0,1ns (risoluzione temporale) c-1 = 3ns/m (inverso velocità della luce) dq= cdt/L ~10-4 rad 1 rad  60° dq 6x10-3°

Il rivelatore MRPC

Come vedere le particelle subatomiche Una tromba d’aria distrugge le case di un villaggio. Gli abitanti delle case distrutte corrono al telefono piu` vicino per chiamare i pompieri. Dalla posizione dei telefoni e dal tempo intercorso fra le chiamate, si ricostruisce il punto in cui e` avvenuto l'incidente e la velocita’ della tromba d’aria A B C D I pompieri registrano la posizione dei telefoni e l'istante delle chiamate. B A C D

Come funzionano i rivelatori di particelle Atomi nel rivelatore + + una particella invisibile passando attraverso il rivelatore ne colpisce gli atomi e libera elettroni. + + Gli elettroni negativi sono attratti dall’elettrodo positivo piu` vicino. + Elettrodo positivo + Il segnale prodotto e`amplificato e inviato ad un computer. + + Dalla posizione dell’elettrodo e dal tempo di arrivo del segnale, il computer ricostruisce il punto di passaggio della particella. + + + I rivelatori registrano le tracce delle particelle troppo piccole per essere "viste" x

Rivelatore a gas Contenitore riempito di gas facilmente ionizzabile Campo elettrico uniforme Radiazione ionizzante interagisce con il gas creando coppie elettrone-ione positivo Elettroni si muovono verso l’anodo Ioni positivi si muovono verso il catodo E anodo catodo

Moltiplicazione a valanga x Aumentando l’intensità del campo elettrico (>10 kV/cm) gli elettroni possono acquistare energia sufficiente per produrre una nuova ionizzazione e così via con la formazione di una valanga A causa della grande mobilità degli elettroni rispetto agli ioni positivi la valanga ha la forma di una goccia: sul fronte gli elettroni, sulla coda gli ioni

Formazione e lettura del segnale - HV E x d V0 V-1 (elettroni) = 200 ns/cm

Elettrodi Resistivi Quali sono i vantaggi nell’utilizzo di catodi ad alta resistività? Trasparenza: questi materiali essendo non metallici evitano l’effetto “gabbia di Faraday”: il segnale viene trasmesso all’esterno del rivelatore! E’ dunque possibile posizionare gli elettrodi di lettura all’esterno del rivelatore Utilizzando elettrodi di lettura esterni il rivelatore viene praticamente diviso in 2 parti completamente indipendenti: una parte attiva di rivelazione (gas + HV) e una parte passiva di lettura (elettrodi esterni).

RPC: Resistive Plate Counter Geometria planare (campo elettrico uniforme) Elettrodi resistivi (vetro) Gap 2,0 mm Lettura effettuata con strips esterne al rivelatore isolate dal piano dell’alta tensione vetro

Risoluzione temporale con miscele tradizionali e gap da 2 mm: Dt  l/v  1 ns l cammino libero medio degli elettroni ( 70-80 mm) v-1 velocità di deriva degli elettroni (200 ns/cm) Per migliorare Dt: l  piccolo e v  elevato. Questo si può ottenere con miscele di gas particolari (“dense/veloci”) : C2H2F4 (Suva-134) – SF6 e campi elettrici elevati (fino a 100kV/cm) si ha:  10 mm v  100 mm/ns Dt  0,1 ns

MRPC Miglior risoluzione temporale Miscela di gas densi e veloci Gap piccola per evitare scariche Bassa efficienza Multi-gap RPC

MRPC -10 kV (catodo) -8 kV -6 kV -4 kV -2 kV 0 V (anodo) Non sono più RPC assemblati La tensione è applicata solo agli elettrodi esterni Gli elettrodi interni sono floating e la loro tensione è regolata dal campo elettrico tra gli elettrodi esterni Il segnale è la somma dei segnali nelle singole gap -10 kV (catodo) -8 kV -6 kV -4 kV -2 kV 0 V (anodo)

-10.000V - 9.998 V - 9.997 V - 9.999 V + + - - - + 0 V

0 V - 10.000 V + - 0 V

Autocompensazione della tensione - 10.000 V 0 V + + - - 5.000 V - 0 V

Il rivelatore MRPC di EEE Miscela di gas densi e veloci = 98% C2H2F4 , 2% SF6 6 gap da 300 mm 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 ~100-200ps Risoluzione spaziale (dipendente dalla geometria delle strip e dal sistema di lettura del segnale ) ~1 cm2

DAQ  Il segnale viene indotto sulle strip Ogni strip è collegata ad un differente canale sulla scheda di front -end  Il TDC (Time to Digital Converter) converte il segnale analogico in un tempo TDC

Ricostruzione della traccia Il punto di impatto viene individuato: dal numero della strip (x) dalla differenza del tempo di arrivo del segnale alle estremità delle strip (y) Conoscendo I tre punti d’impatto è possibile ricostruire la traiettoria

HV System Alta Tensione applicata tramite DC-DC converter Il sistema fornisce HV fino a ± 10 kV se alimentato da 0 V a 5 V I DC-DC converter sono inseriti all’interno di scatolette connesse direttamente alla box di alluminio che contiene l’MRPC

Coincidenze nel sito del Gran Sasso Distribuzione delle differenze di tempi di trigger di due stazioni. Gli eventi del picco sono dovuti a particelle appartenenti allo stesso sciame

Coincidenze nel sito di Frascati/Grottaferrata

Per info sul progetto EEE visitare il sito Summary Rivelazione di HE EAS tramite tracciamento componente muonica Caratteristiche rivelatori MRPC: Elevata risoluzione temporale Buona risoluzione spaziale Di facile costruzione e alta affidabilità Per info sul progetto EEE visitare il sito www.centrofermi.it