Astrofisica Gamma Esperimenti nello spazio Esperimenti a terra.

Presentazione sul tema: "Astrofisica Gamma Esperimenti nello spazio Esperimenti a terra."— Transcript della presentazione:

1 Astrofisica Gamma Esperimenti nello spazio Esperimenti a terra

2 April 22, 2007Astrofisica Gamma2 Tecniche di astronomia gamma

3 April 22, 2007Astrofisica Gamma3 Tecniche di astronomia gamma Latmosfera terrestre al livello del mare è spessa circa 1000 g/cm 2, corrispondenti a circa 27 X 0 (11 lunghezze di interazione): la probabilità che un fotone, con energia al di sopra della soglia di produzione di coppie, raggiunga la superficie terrestre è circa 10 -11. Latmosfera terrestre al livello del mare è spessa circa 1000 g/cm 2, corrispondenti a circa 27 X 0 (11 lunghezze di interazione): la probabilità che un fotone, con energia al di sopra della soglia di produzione di coppie, raggiunga la superficie terrestre è circa 10 -11. Anche in alta montagna, dove lo spessore dellatmosfera è sensibilmente più piccolo, la probabilità che un fotone primario raggiunga la superficie terrestre (per poter essere misurato) è trascurabile. I fotoni primari possono essere studiati soltanto da rivelatori su satellite o su pallone. Anche in alta montagna, dove lo spessore dellatmosfera è sensibilmente più piccolo, la probabilità che un fotone primario raggiunga la superficie terrestre (per poter essere misurato) è trascurabile. I fotoni primari possono essere studiati soltanto da rivelatori su satellite o su pallone.

4 April 22, 2007Astrofisica Gamma4 Tecniche di astronomia gamma Es. Per Vela, la sorgente gamma più forte, (E>100MeV)=1.3x10 -5 fotoni cm -2 s -1 e lindice spettrale è -1.89. Area riv. 1000 cm 2 N(E>100MeV) 1 /min N(E>1GeV) 1 in 2 ore Il flusso dei raggi gamma dalle sorgenti astrofisiche è basso e diminuisce sensibilmente con lenergia.

5 April 22, 2007Astrofisica Gamma5 Tecniche di astronomia gamma Il flusso dei raggi cosmici, in particolare dei protoni, è molto maggiore che quello dei gamma. Queste particelle formano praticamente un fondo isotropico. Spettro misurato:

6 April 22, 2007Astrofisica Gamma6 Tecniche di astronomia gamma Queste considerazioni, niente affatto esaustive, suggeriscono che lo studio dei raggi gamma primari con energia maggiore fino a 10-100 GeV può essere effettuato con esperimenti su satellite (purchè vengano costruiti con area efficace sufficiente). Per energie più elevate, non è realistico (al momento) pensare ad esperimenti basati su satellite per questioni di costi legati alle dimensioni. Le alte energie vengono esplorate sfruttando la radiazione secondaria emessa nellinterazione dei gamma primari con latmosfera terrestre. Queste considerazioni, niente affatto esaustive, suggeriscono che lo studio dei raggi gamma primari con energia maggiore fino a 10-100 GeV può essere effettuato con esperimenti su satellite (purchè vengano costruiti con area efficace sufficiente). Per energie più elevate, non è realistico (al momento) pensare ad esperimenti basati su satellite per questioni di costi legati alle dimensioni. Le alte energie vengono esplorate sfruttando la radiazione secondaria emessa nellinterazione dei gamma primari con latmosfera terrestre.

7 April 22, 2007Astrofisica Gamma7 Ma lo scopo…..?????? Identificazione di fotoni Identificazione di fotoni Misura dellenergia Misura dellenergia Misura della direzione Misura della direzione Misure del tempo Misure del tempo Mantenendo fondi bassi….. Mantenendo fondi bassi…..

8 April 22, 2007Astrofisica Gamma8 Definizioni - IRF Instrument Response Function Instrument Response Function –Risposta del rivelatore (in funzione delle quantità misurate E e ) ad un flusso noto F (funzione delle vere quantità E and ). –Area efficaceA eff. –Risposta in energia E. –Point Spread Function (PSF) – risoluzione angolare. –Normalmente utilizzata per estrarre flussi reali da quelli misurati –Unottima conoscenza delle IRF è cruciale per la determinazione della normalizzazione assoluta dei flussi. Le IRF non dipendono solo dal rivelatore ma anche dagli algoritmi di ricostruzione.

9 April 22, 2007Astrofisica Gamma9 Area efficace Area efficace –Determina il flusso reale di un segnale, dopo la correzione di tutti gli effeti legati al rivelatore (incluso reiezione del fondo): –Può essere scritta come la convoluzione di area geometrica, probabilità di conversione, efficienza del rivelatore e degli algoritmi di ricostruzione. Definizioni - Area Efficace

10 April 22, 2007Astrofisica Gamma10 Definizioni - Field of View Field Of View (campo di vista) Field Of View (campo di vista) –Definito come lintegrale dellarea efficace su tutto langolo solido normalizzato rispetto allarea efficace di picco. –Se la risposta angolare è uniforme, il FOV è 4 (tutto il cielo). –Nel caso di un rivelatore planare (Aeff( ) = A 0 cos ), il FOV è (1/4 del cielo). –Il FOV dipende essenzialmente dal rapporto altezza/larghezza (aspect ratio) del rivelatore. TKR CAL Low aspect ratio = Large FOV High aspect ratio = Small FOV

11 April 22, 2007Astrofisica Gamma11 Definizioni - Point Spread Function Point Spread Function (PSF) Point Spread Function (PSF) –Risoluzione angolare del rivelatore, inclusiva degli effetti di ricostruzione e reiezione del fondo. –Descrive la risposta del rivelatore ad una sorgente puntiforme –Tipicamente NON Gaussiano, il parametro rilevante è PSF 95% /PSF 68% (per comportamento gaussiano il contenimento 95% è 1.6 volte il contenimento 68%).

12 April 22, 2007Astrofisica Gamma12 Esperimenti su satellite e+e+ e–e– calorimetro tracciatore convertitore Schermo anti-coincidenza Telescopio per conversioni Schema tipico di un esperimento per raggi gamma su satellite: sfrutta la conversione dei fotoni in coppie elettrone-positrone. Enorme miglioramento negli ultimi anni grazie allutilizzo di tecniche sperimentali sviluppate nellambito degli esperimenti di fisica agli acceleratori di particelle. Misura di energia, direzione e tempo dei fotoni incidenti nel rivelatore.

13 April 22, 2007Astrofisica Gamma13 Esperimenti su satellite e+e+ e–e– calorimetro tracciatore convertitore Schermo anti-coincidenza Telescopio per conversioni I fotoni iniziano una cascata elrttromagnetica che consente di misurare la loro direzione…..grazie ad un sistema di tracciatura di precisione che rivela il passaggio degli elettroni e positroni prodotti e consente unaccurata ricostruzione delle loro traiettorie…..

14 April 22, 2007Astrofisica Gamma14 Esperimenti su satellite e+e+ e–e– calorimetro tracciatore convertitore Schermo anti-coincidenza Telescopio per conversioni ….la loro energia, grazie ad un calorimetro posto immediatamente al di sotto del tracciatore/convertitore. La misura di energia è normalmente sufficientemente precisa tranne che ad alte energie, dove il non contenimento di questi calorimetri peggiora la risoluzione….

15 April 22, 2007Astrofisica Gamma15 Esperimenti su satellite e+e+ e–e– calorimetro tracciatore convertitore Schermo anti-coincidenza Telescopio per conversioni ….il tempo di arrivo, essenziale per esempio per gli studi di Gamma-ray bursts. Uno schermo di rivelatori sensibili alle particelle cariche, in configurazione più o meno complessa, garantisce che levento osservato è dovuto alla conversione di un fotone e non al passaggio di un raggio cosmico.

16 April 22, 2007Astrofisica Gamma16 Esperimenti su satellite e+e+ e–e– calorimetro tracciatore convertitore Schermo anti-coincidenza Telescopio per conversioni Il disegno del rivelatore deve opportunamente tener conto di: efficienza di veto (MIPS, zone morte, poco materiale..) ottimizzazione risoluzione angolare (ottima risoluzione spaziale, poco scattering multiplo…) ottimizzazione risoluzione energia (buona calorimetria, poco materiale passivo…) ottimizzazione risoluzione temporale (rivelatori veloci) alta probabilità di conversione per fotoni Queste richieste sono in parziale conflitto tra di loro…………!!!!!!!!

17 April 22, 2007Astrofisica Gamma17 Esperimenti a Terra - Dettagli 1 A seconda della sua energia, un singolo raggio cosmico può generare sciami con grandi quantità di particelle. Gli sciami più piccoli sono assorbiti nella parte alta dellatmosfera e non raggiungono la superficie terrestre. Ma, durante il loro tragitto, alcune delle particelle dello sciame emettono radiazione Cerenkov. Sebbene i raggi cosmici e gli sciami prodotti siano principalmente assorbiti dallatmosfera è possibile rivelare la radiazione Cerenkov emessa lungo il percorso: solo in notti serene e senza luna (duty-cycle 10-15%). La cascata e la generazione di luce Cerenkov in un cono in avanti hanno due conseguenze sperimentali piuttosto immediate: la luce arriva a terra su fronti di diverse decine (o centinaia …!) di metri e di conseguenza lintensità di luce per unità di area è piuttosto piccola.

18 April 22, 2007Astrofisica Gamma18 Esperimenti a Terra - Dettagli 2 I singoli segnali sono piccoli, di conseguenza la sensitivià del rivelatore deve essere spinta al limite. La superficie attiva deve essere massimizzata e lgi elementi di lettura devono essere in grado di rispondere a singoli fotoni con alta efficienza. Per migliorare la sendibilità normalmente questi esperimenti sono installati in alta montagna, lontani da luci diffuse e nuvole. EAS, con la loro alta molteplicità di particelle che arrivano sulla superficie terrestre, possono essere rivelati con molti tipi di rivelatori diversi. I più comuni (!! Sorpresa?) sono gli scintillatori, che consentono la misura del tempo di arrivo con buona accuratezza. Esistono poi una moltitudine di rivelatori sensibili alla posizione, che servono a misurare il passaggio di particelle di sciami estesi, e questi vanno da resistive plate chambers (RPC), st tubi streamer, tubi Geiger, rivelatori Cerenkov ad acqua.... Ad alte energie gli sciami generati in atmosfera contengono hanno altissima molteplicità: miliardi di particelle per i raggi cosmici di più alta energia. Non bisogna mai dimenticare che quando si misurano EAS (Extensive Air Showers) non si misurano direttamente i raggi cosmici primari, ma una moltitudine di particelle secondarie che sono state generate dal viaggio del raggio cosmico nella nostra atmosfera.

19 April 22, 2007Astrofisica Gamma19 Esperimenti a Terra - 1 Latmosfera terrestre funziona come un calorimetro e le particelle primarie producono sciami (EAS), che danno informazioni sulla direzione e energia della particella primaria. Fondo da sciami adronici: sostanzialmente diverso, ma labbondanza dei CR pone un serio problema ai fattori reiezione.

20 April 22, 2007Astrofisica Gamma20 Esperimenti a Terra - 2 Sviluppo longitudinale dipende in modo logaritmico dallenergia. Lo sciame arriva a Terra con un fronte largo diversi metri, decine di nsec. La distribuzione laterale è ben descritta da:

21 April 22, 2007Astrofisica Gamma21 Esperimenti a Terra - 4

22 April 22, 2007Astrofisica Gamma22 Esperimenti a Terra - 5 La sezione durto -p è stata misurata fino ed energie E =20 TeV. Le estrapolazioni necessarie sono ritenute affidabili. Sviluppo dello sciame con Ec=80 MeV.

23 April 22, 2007Astrofisica Gamma23 Le problematiche degli esperimenti su satellite sono di vario genere e tutti ovviamente legati agli aspetti peculiari degli ambienti spaziali. Le problematiche degli esperimenti su satellite sono di vario genere e tutti ovviamente legati agli aspetti peculiari degli ambienti spaziali. 1.Problematiche pre-lancio 2.Problematiche in fase di ascesa 3.Problematiche in orbita 4.Problematiche di disegno e di realizzazione Esperimenti su satellite- Problematiche Vedremo brevemente i punti 1, 2 e 3 più avanti. Per Il momento ci concentriamo sul punto 4, per capire come i vincoli dellambiente spaziale influenzano le scelte sperimentali. Case study : GLAST (non esaustivo).

24 April 22, 2007Astrofisica Gamma24 Dimensioni geometriche: dimensioni trasversali < 1,8 m Dimensioni geometriche: dimensioni trasversali < 1,8 m Peso: < 3000Kg. Limitazione principalmente legata alla calorimetria elettromagnetica. Esempio: CsI(Tl). Densità 4,5 g/cm 3. Assumiamo che 2/3 del peso vengano assegnati alla calorimetria EM. Dimensioni trasversali: 160x160 cm. Lo spessore di calorimetro risultante è Peso: < 3000Kg. Limitazione principalmente legata alla calorimetria elettromagnetica. Esempio: CsI(Tl). Densità 4,5 g/cm 3. Assumiamo che 2/3 del peso vengano assegnati alla calorimetria EM. Dimensioni trasversali: 160x160 cm. Lo spessore di calorimetro risultante è X 0 =1.89 cm, quindi avremmo un calorimetro EM di 9 X 0, che comporta delle scelte ben precise in termini di risoluzione in E. X 0 =1.89 cm, quindi avremmo un calorimetro EM di 9 X 0, che comporta delle scelte ben precise in termini di risoluzione in E. Vincoli spaziali di GLAST - 1

25 April 22, 2007Astrofisica Gamma25 Potenza < 650 Watts (!!! Sei lampadine!) Potenza < 650 Watts (!!! Sei lampadine!) Banda passante telemetria < 300 kbps in media per orbita: definisce il livello di reiezione del fondo online e il volume dei dati da trasferire. GPRS < BP < UMTS Banda passante telemetria < 300 kbps in media per orbita: definisce il livello di reiezione del fondo online e il volume dei dati da trasferire. GPRS < BP < UMTS Vincoli spaziali di GLAST - 2 7M canali di rivelatori al silicio, limita principalmente la potenza dissipata per ogni singolo canale (che deve essere dellordine dei W) e la potenza disponibile per il computing on board.

26 April 22, 2007Astrofisica Gamma26 Centro di gravità basso, impone vincoli sullaltezza del rivelatore che comunque è già vincolata dal fatto di voler mantenere un basso aspect ratio (…per avere un buono FOV). Centro di gravità basso, impone vincoli sullaltezza del rivelatore che comunque è già vincolata dal fatto di voler mantenere un basso aspect ratio (…per avere un buono FOV). …..+ 1, 2 e 3……!!!! …..+ 1, 2 e 3……!!!! Vincoli spaziali di GLAST - 3

27 April 22, 2007Astrofisica Gamma27 Sensitività High galactic latitudes b =2 10 -5 cm -2 s -1 sr -1 (100 MeV/E) 1.1 ). Cerenkov telescopes sensitivities (Veritas, MAGIC, Whipple, Hess, Celeste, Stacee, Hegra) are for 50 hours of observations. Large field of view detectors sensitivities (AGILE, GLAST, Milagro, ARGO, AMS) are for 1 year of observation.

28 April 22, 2007Astrofisica Gamma28 Satellite vs esperimento a Terra Satellite : –radiazione primaria –piccola area efficace ~1m 2 »bassa sensitività –apertura angolare grande –grande duty-cicle –alti costi –energie medio/alte –background basso Esperimento a terra –radiazione secondaria –grande area efficace ~10 4 m 2 »alta sensitività –apertura angolare piccola –piccolo duty-cicle –costi bassi (…..) –alte energie –background

29 April 22, 2007Astrofisica Gamma29 Esperimenti a Terra STACEE CACTUS MILAGRO TIBET ARGO-YBJ PACT GRAPES TACTIC STACEE MAGIC TIBET HESS

30 April 22, 2007Astrofisica Gamma30 Esperimenti su satellite