Is the Gruneisen "constant C is the specific heat Cosmic ray in the bar: Thermo Acoustical Conversion under the hypothesis that all the deposited energy,

Presentazione sul tema: "Is the Gruneisen "constant C is the specific heat Cosmic ray in the bar: Thermo Acoustical Conversion under the hypothesis that all the deposited energy,"— Transcript della presentazione:

1 is the Gruneisen "constant C is the specific heat Cosmic ray in the bar: Thermo Acoustical Conversion under the hypothesis that all the deposited energy, is converted in a local heating of the medium:

2 Cosmic ray interaction in the bar Thermo-Acoustic Model: the energy deposited by the particle is converted in a local heating of the medium: = Gruneisen "constant Excitation of the longitudinal modes of a cylindrical bar A resonant gw detector used as a particle detector is different from any other particle detector

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4 Al 5056; L= 3m; D=0.6 m M=2300 kg T= 0.1 K f ± =907 Hz, 922 Hz h= 3 x 10 -22 Hz -1/2 h pulse = L/L = 4 x 10 -19 E = 2 mK = 0.3 eV Nautilus is equipped with 7 layers (3 over the cryostat - area 36m 2 /each - and 4 below -area 16.5 m 2 /each) of Streamer tubes. The cosmic ray effect on the bar is measured by an offline correlation, driven by the arrival time of the cosmic rays, between the observed multiplicity in the ST detector (saturation for M10 3 particles/m 2 ) and the data of the antenna, sampled each 4.54 ms and processed by a filter matched to signals

5 Al 5056; L= 3m; D=0.6 m M=2300 kg T= 0.1 K f ± =907 Hz, 922 Hz h= 3 x 10 -22 Hz -1/2 h pulse = L/L = 4 x 10 -19 E = 2 mK = 0.3 eV

6 Il rivelatore di raggi cosmici di NAUTILUS (1993) 116 camere 8 tubi streamer (regime di scarica limitata) da 600x3x3 cm 2 3 strati sopra 4 strati sotto lettura analogica della carica==>> numero di particelle saturazione a circa 500 particelle per camera da 1.44 m 2 15 canali ADC attenuati 1/10 per aumentare la dinamica

7 Raggi cosmici simulazione Simulazione con il codice Geant con la descrizione dei materiali attorno allantenna

8 Limite quantistico ~ 10 -7 K

9 1998 primi cosmici visti in NAUTILUS miglioramento sensibilità di NAUTILUS tecnica di analisi cumulativa a zero soglia

10 Ricerca segnali senza soglia Selezione degli eventi ad alta densità (>600 particelle/m 2 ) Somma dei segnali dellantenna prendendo i tempi rispetto al tempo darrivo dello sciame cosmico (uscita del filtro matched a 220 Hz) Per segnali molto piccoli questo metodo è più sensibile di quello basato sulla ricerca di coincidenze questa tecnica fu proposta a priori prima di guardare i dati tecnica usata anche in altre analisi (ad esempio gamma-burst)

11 Ricerca segnali senza soglia filtro matched Ti= T noise <5m Kelvin Risultati simili con altri filtri ma segnale meno evidente

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13 Then : the detection of several unexpected very large amplitude events The largest : 58 Kelvin 80 TeV P.Astone et al. : Energetic cosmic rays observed by the resonant gravitational wave detector NAUTILUS - Physics Letters B499, 16-22 (2001). One of the largest events with the 5 kHz ADC 9 Kelvin (June 2000) GPS timing : 200µsec precision The event is so big that no sophisticated filtering is necessary

14 Correlazione non evidente ma statisticamente significativa Nessuna correlazione Sciami estesi non spiegano questi eventi Eventi inattesi - correlazione con densità di particelle

15 Integral Distribution as function of energy calculated with the themo-acustical model Our calculation is in agreement with the direct measurement (Cascade experiment) taking into account the small energy contaiment in the antenna (a few percent at the energy of interest) ==>> a)Event Rate 2 order of magnitude higher than expected or b) Energy 2 order of magnitude higher than the one computed with the thermo- acustical model Hadrons + thermo-acustical model unable to explain the data

16 How can we explain these data? 1) Something wrong in the calculations: there could be mistakes, but not such to account for a factor 100. 2) Something strange in the cosmic rays at the energy of interest (energies in the region of the knee of the cosmic ray) 3) Something strange in the Nautilus detector: a) the cosmic rays could trigger a release of non elastic audiofrequency modes b) effects related to superconductivity: the normal assumption is that the passage of a particle breaks Cooper pairs (0.34 MeV in Al) and therefore in the thermo- acustical model is assumed normal Alluminium, but there are no experimental data for this model or the cosmic rays trigger some sort of metastable state due to superconductivity

17 Comportamento di Nautilus nel 2000- 2001 a T=1.5 kelvin Solo 1 evento con analisi in coincidenza (T=0.5 Kelvin ~ 8 TeV)

18 The Superconductivity is now the preferred origin of the anomalous events After August 2000 Nautilus is running at 1.1 Kelvin

19 2002 Rivelatori di sciami su EXPLORER (CERN)

20 Study of this effect in a controlled environment: the RAP experiment of interest to understand the limitations in the sensitivity of the gravitational bar detector (not a problem for the current sensitivity) useful for the future generations of gw detectors, including interferometers of general interest to understand the effect of particles on a superconductive medium we plan to excite vibrations of a small aluminium cylindrical bar at temperatures below and above 1 Kelvin, using the 500 MeV electron beam of the DAFNE BTF in Frascati

21 Sommario di tutti i dati Explorer 2003 aggiornato a metà Dicembre Nautilus 2003 a Settembre Work in progress!! predizioni

22 Solo T < 1 Kelvin Work in progress!!

23 Solo T > 1 Kelvin Work in progress!!

24 Sommario e conclusioni(??) eventi strani nei raggi cosmici osservato leffetto dei raggi cosmici sulle antenne a barre effetto osservato è sulla barra (non SQUID, Trasduttore ecc) segnale >= uguale di quello previsto limitazione della sensibilità delle future antenne a barre ==>> Gran Sasso o altro laboratorio sotterraneo utilizzo dei segnali dei raggi cosmici per calibrazione sul campo : risoluzione temporale.., verifica di algoritmi per la ricerca di segnali (esempio: gamma burst) Conclusioni sicure: Ma…..

25 Conclusioni (?) e sommario eventi strani eventi con energia più grande dellatteso (o frequenza maggiore) Possibili spiegazioni: a) predizioni errate. Grande incertezza negli eventi attesi, ma non di un ordine di grandezza. Si sta facendo nuovo calcolo (Cafagna, Battistoni, Montaruli ). b) particelle esotiche nei raggi cosmici.. Rivelatori acustici molto differenti da rivelatori a ionizzazione. Nessuna soglia netta in Rivelatori a gas tipicamente 10 -3. Candidati: monopoli, nucleariti... Due candidati nucleariti trovati come coincidenza tra sismografi. TWO SEISMIC EVENTS WITH THE PROPERTIES FOR THE PASSAGE OF STRANGE QUARK MATTER THROUGH THE EARTH.By David P. Anderson, Eugene T. Herrin (Southern Methodist U.), Vigdor L. Teplitz (Southern Methodist U.), Ileana M. Tibuleac (Weston Geophysical),. May 2002. 18pp. e-Print Archive: astro-ph/0205089 Energie in gioco attorno al knee dei raggi cosmici, dove si sa succede qualcosa di strano effetto raggi cosmici - Pro

26 Unfiltered signal (V 2 ) The signal after filtering (kelvin) Burst event for a present bar: a millisecond pulse, a signal made by a few millisecond cycles, or a signal sweeping in frequency through the detector resonances. The burst search with bars is therefore sensitive to different kinds of gw sources such as a stellar gravitational collapse, the last stable orbits of an inspiraling NS or BH binary, its merging, and its final ringdown. Time of arrival uncertainty ~ 1 ms Real data: the arrival of a cosmic ray shower on NAUTILUS

27 This unexpected result was obtained with a NAUTILUS bar temperature of 0.14 K. The are no anomalous large signals if the bar temperature is 1.5 K (above the s.c. transition temperature). Summary of results 1999-2001

28 Raggi Cosmici: il ginocchio A circa 10 15 eV brusco cambiamento della pendenza. Non spiegato Probabilmente associato a cambiamento meccanismo di produzione e o cambiamento composizione La maggior parte dei cosmici visti nelle antenne viene dalla regione del ginocchio

29 Conversione termo- acustica Energia nel modo n approccio semplificato 1 Se sbarra infinitamente sottile e il deposito di energia e tra x 1 e x 2 Equazione delle Onde Condizioni al contorno a -l/2 e l/2 Soluzione generale:

30 Conversione termo- acustica approccio semplificato 2 Condizioni iniziali W : energia depositata A : sezione C calore specifico densità Ampiezza modo fondamentale particella singola x 1 =x 2 =x Sciame distribuito uniformementex 1 =-l/2 x 2 =l/2

31 Conversione termo acustica caso generale 3 Allega A.M. & Cabibbo N. Lett Nuovo Cim 38 (1983) 263- A. De Rujula & B. Lautrup, Nucl Phys. B242 (1984) 93-144 G n fattore di forma del cilindro e al primo ordine in R/L ( Barish-Liu Phys Rev Lett 61 1988) Verificata per tracce non assiali e ordini maggiori in R/L

32 Il parametro di Gruneisen nei superconduttori 1 Nell' energia libera di un metallo alle basse temperature e' rilevante il contributo degli elettroni di conduzione. In particolare, sono allora prevedibili differenze tra stati normale (n) e superconduttivo (s) in relazione a volumi, coeffcienti di espansione termica e calori specifici. Queste variazioni sono esprimibili attraverso relazioni termodinamiche che coinvolgono la dipendenza del campo critico Hc dalla pressione e dalla temperatura. Non esistono misure dirette di in Al superconduttori Calore specifico in Alluminio Calore Specifico==> 0