La proposta LAWCA-RD M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12.

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1 La proposta LAWCA-RD M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

2 Sviluppi proposta LAWCA Progetto LHAASO (1 km2) approvato e finanziato Ritardo dovuto a difficoltà nel reperire il sito “Low Energy Branch” (≈ TeV) ‘stralciato’: progetto LAWCA a YangBaJing, ma con finanziamento autonomo. Obiettivo : sky survey, con ampio campo di vista (2 sr) e con elevata sensibilità (< 5% Crab), dell'emisfero Nord nell'intervallo energetico che si estende dal sub-TeV alle decine di TeV. Time schedule:LAWCA: inizio scavo piscina maggio 2013 completamento fine 2014 M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

3 LAWCA : Large Area Water Cerenkov Array Interesse:  IN2P3 Site Coordinates: longitude 90° 31’ 50” E, latitude 30° 06’ 38” N Water pool: “L shaped”, 916 units (5m  5m each) separated by curtains. Water depth: 4m / 4m + 1m M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

4 LAWCA: 916 units 78 x 74 m 2 110 x 100 m 2 M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

5 LAWCA sensitivity ARGO + LAWCA M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

6 Key Goals Provide an unbiased map of the TeV sky (2π sr, daily @Crab, yeary @5% Crab). Search for the sources of cosmic rays: – Measure the energy spectrum of Galactic sources up to the highest energies. – Measure diffuse gamma-ray emission between 1 TeV and 100 TeV and search for regions with emission above that expected from the observed matter density. – Map the arrival direction distribution of cosmic rays at energies > TeV and study the large- and small-scale anisotropy. Search for transient sources: – Search for >100-200 GeV emission from GRBs. – Study transient emission from sources like AGN. Provide TeV alerts for other instruments (CTA, … ) Search for new physics at TeV. M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

7 Documento IHEP su LAWCA M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

8 Present Status > 1. LAND An extra area of about 4000m^2 on the north and east sides of the existing land has been negotiated with the local gov. It is approved and the compensation is under discussion. > 2. CONSTRUCTION DESIGN The design companies are competing for the design job. The decision will be made within two weeks. > 3. PMT ORDERING Three companies, Hamamatsu, ET and a Chinese company who bought Photonis are called for bidding a first sample of phototubes. > 4. FEE The second version of the board, including amplification, integration, digitization and TD, has been designed and first prototypes have been produced. > 5. PMT BASE and TESTING The USTC group has finished the base design. They are starting to build the massive testing facility. M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

9 Construction Plan of LAWCA 89101112 12345 9101112678910111212345678 201220132014 Land Lease Field Prep.Pool construction Installation of: PMT (15/day), electronics, calibration, Slow control, DAQ Others and Leak check (water, light) Filling and debug Dry run and debug StartT1T2T3T6RunT4T5 1.studio del layout e delle performance di LAWCA e dell'operazione congiunta ARGO-LAWCA attraverso simulazioni (Napoli, Roma Tre, Roma “Tor Vergata”, Torino). 2.test del DAQ per acquisire LAWCA; test per valutare il layout ottimale dei fotomoltiplicatori. (Napoli, Roma Tre). M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

10 LAWCA R&D at Beijing A prototype at IHEP (see Nucl.Instrum.Meth.A644:11-17,2011 ) Conclusion … operated the prototype water Cherenkov detector for more than one year,.. water Cherenkov technique understood… … A two-peak structure of the Npe distribution for near vertical muons has been observed. Therefor a way to online calibrate PMT gain and front-end electronics ….. full MC simulation in good agreement with the measurements. … electronics system specifically developed for this experiment will be employed for data acquisition. …continuation : an engineering array consisting of 3×3 cells of the WCDA at the site of YBJ, Tibet. …data and combined analysis with ARGO-YBJ experiment will provide more information about water Cherenkov performance. M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

11 LAWCA R&D at YangBajing (1) Prototype array at YBJ close to the ARGO detector. M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

12 LAWCA R&D at YangBajing (2). Measurements before Nov.16 were due to problem of the measurement device.  The prototype has safely passed one winter without icing.  The measured attenuation length shows that the water recycling system works well. Water recycling system of the prototype array M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

13 Hybrid observation with ARGO-LAWCA LAWCA to ARGO :  1 ) > 22,000 m2 of full coverage muon detector.  2) Using the information provided by LAWCA, ARGO-YBJ could achieve a considerable Q factor of gamma/hadron discrimination.  3) LAWCA provides a longer arm to ARGO-YBJ events, thus a gain in angular resolution could also be expected. ARGO to LAWCA :  help LAWCA to locate shower cores which are near/inside ARGO-YBJ  effective area + rejection  Low energy branch : down to < 300 GeV  Composition measurements at Knee (analog r/o) M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

14 Preliminary Simulation (1): calorimetric approach Water depth: 4 m Dimension: 100 X 200 m 2 ; An 8-inch PMT looking upward; 20 X 40= 800 units; 1unit=5 x 5 m 2 Spacing: 5 m Divided by 1 mm curtains. 14 M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

15 LAWCA 信号中宇宙线簇射的 “ 次芯 ” Top: proton Bottom :gamma Hottest secondary shower core ：  Score(>30 m): hottest PMT with R>30 m parameters  Log10( Score )  Log10( Npmt/Score)  Log10( Nhit/Score) M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

16 Simulation (2): a muon counting approach M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

17 Very Preliminary Results According to these results, the Q factor for Nhit > 40 is 2.0 (1.5), if the minimum number of muons required in the pool M is 1 (2). Q factor > 3 for events with Nhit > 100 (200), for M= 1(2). M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

18 Lettera alla CSNII Al Presidente della CSNII Prof. Roberto Battiston Ai Coordinatori della CSNII Caro Presidente, con questa lettera sottoponiamo alla CSNII la nostra intenzione di avviare uno studio della durata di un anno destinato a valutare l ’ opportunit à di una partecipazione italiana al programma cinese nel settore della fisica dei raggi cosmici e della gamma-astronomia. Questo programma, presentato in occasione del meeting INFN-IHEP (Roma, 19 maggio 2012) prevede l'estensione dell'intervallo energetico di ricerca delle sorgenti gamma verso le pi ù alte energie (100 TeV e oltre) e la determinazione della composizione dei Raggi Cosmici sino a 10 17 eV. Per realizzare tali obiettivi saranno costruiti, nei prossimi due anni, l ’ apparato LAWCA, finalizzato alla gamma astronomia dal TeV alle decine di TeV, e successivamente l'apparato LHAASO, delle dimensioni di 1 km 2, in grado di affrontare la gamma-astronomia alle energie dei 100 TeV e misurare la radiazione cosmica alle pi ù alte energie (10 17 eV). La costruzione di LAWCA è prevista iniziare per la met à del 2013, mentre il data taking inizier à nel 2015. La costruzione delle infrastrutture di LHAASO inizier à nel corso del 2014, la realizzazione dell'apparato prevede l'utilizzo di diverse tecniche, in particolare water-Cherenkov, scintillatori, rivelatori per muoni, e l'installazione è prevista iniziare dopo il 2015. LAWCA verr à costruito accanto ad ARGO che concluder à la sua fase di operativit à come stabilito alla fine del 2012, e utilizzer à le infrastrutture del laboratorio che ospita ARGO. Il presente disegno di LAWCA, basato sulla tecnica water-Cherenkov, contempla una piscina di circa 22000 m 2, organizzata in vasche da 5x5 m 2 ciascuna, otticamente separate, per un totale di 902 unit à. La profondit à dell ’ acqua è di 4 m, divisa in due settori per la rivelazione separata della componente elettromagnetica e dei muoni. LAWCA, integrato da ARGO, costituisce un apparato con una superficie continua e attiva di circa 30000 m2, di cui 20000 m2 in grado di misurare i muoni, ed è capace di evidenziare i dettagli topologici degli sciami. Queste caratteristiche si riflettono in un'eccellente performance del detector nella gamma-astronomia, permettendo il monitoraggio continuo, con ampio campo di vista (2 sr) e con elevata sensibilit à, dell'emisfero Nord nell'intervallo energetico che si estende dal sub-TeV alle decine di TeV, la rivelazione di sorgenti sconosciute e l'osservazione di fenomeni transienti. Alle altissime energie invece, la lettura analogica degli RPC (ARGO) e la misura del contenuto di muoni dello sciame (LAWCA), consentono lo studio della composizione fino alle decine di PeV, con un dettaglio mai raggiunto fino ad ora. Il progetto ha una schedula temporale molto stretta e definita che inizia dalla fine del 2012 e prevede l ’ inizio della presa dati per il 2015. Il programma permette di produrre risultati scientifici di primaria importanza gia ’ a partire dal 2015. Il gruppo italiano intende valutare l'opportunit à scientifica offerta da questo programma e il contributo che può apportare all'intero progetto. Per questo viene proposta una attivit à di un anno, finalizzata alla stesura di una eventuale proposta di partecipazione al progetto scientifico descritto precedentemente. M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

19 Attività proposta 1.studio del layout e delle performance di LAWCA e dell'operazione congiunta ARGO-LAWCA attraverso simulazioni (Napoli, Roma Tre, Roma “Tor Vergata”, Torino). 2.test per la realizzazione del DAQ per acquisire LAWCA; test per valutare il layout ottimale dei fotomoltiplicatori ad alta efficienza (Napoli, Roma Tre). 3.Test in situ (YBJ) di prototipi per il ricircolo/re-distribuzione del gas e/o utilizzo di un’altra miscela per una sostanziale riduzione dei costi di operazione di ARGO (Roma "Tor Vergata") M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12

20 Persone e Richieste Napoli:S. Catalanotti, M. Iacovacci, S. Mastroianni, V. Roca, C. Sabbarese(1.6 FTE) Roma Tre: A. Budano, S.M. Mari, F. Ruggieri (0.6 FTE) Roma Tor Vergata: P. Camarri, R. Cardarelli, A. Filabozzi, D. Marinucci, S. Sabatini (2.0 FTE) Torino: S. Vernetto (0.2 FTE) MIMEConsumoInventarioTrasporti Napoli1.53.50.59.0 Roma Tre1.53.00.59.0 Roma Tor Vergata1.05.53.56.52.0 Torino1.01.5 Risorse finanziarie richieste M. Iacovacci CSNII, Trieste – 18/09/12