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Perspectivas para uma rede detecção de raios cósmicos Pedro Silva, L.I.P. Jornadas L.I.P. Dezembro de 2001, Tomar Prof. Orientador: João Varela.

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1 Perspectivas para uma rede detecção de raios cósmicos Pedro Silva, L.I.P. Jornadas L.I.P. Dezembro de 2001, Tomar Prof. Orientador: João Varela

2 2 1. Objectivos Construir uma rede de detecção de raios cósmicos de alta energia ( E o > eV ); Estabelecer métodos de reconstrução da energia e origem dos raios cósmicos; Caracterizar o desenvolvimento de cascatas de partículas na atmosfera com base em modelos analíticos e/ou simulações Monte-Carlo (programa Corsika ref. [CORS]) ;

3 3 2. Cascatas de partículas na atmosfera espectro de fundo de raios cósmicos. Gráfico retirado de [SIMP] 87% H, 12% He, 1% elementos pesados (E)dE E - dE ( =2,7 se E 10 15,5 eV =3,1 se E>10 15,5 eV) a observação de raios cósmicos de alta energia é menos provável

4 4 Cascatas de partículas na atmosfera (II) sequência das principais reacções que ocorrem na formação de uma cascata de partículas na atmosfera terrestre propriedades de escala de uma cascata: i. E E o e -X/ ii. N max E o iii. X max log(E o )

5 5 Cascatas de partículas na atmosfera (III) dispersão das partículas em torno da direcção de incidência: i. dispersão múltipla de Coulomb ii. dispersão angular dos produtos de reacção/ decaimento composição de uma cascata ao nível do mar: 63% - 28% - e 9% - < 1% - p, n,, densidade média de partículas ao nível do mar em função da distância ao ponto de impacto em cascatas iniciadas por protões verticais de eV (resultados de simulações do Corsika). E, E e 1MeV, E 30MeV. desenvolvimento longitudinal médio das componentes electromagnética, muónica e hadrónica de cascatas iniciadas por protões verticais de eV. E 81MeV, E e 81MeV, E 1 GeV, E h 1GeV. Resultados obtidos de 25 eventos simulados no Corsika.

6 6 Cascatas de partículas na atmosfera (IV) X Y Z definição das coordenadas de um detector de superfície relativamente ao ponto de impacto de um raio cósmico e definição do plano perpendicular a direcção de incidência. em 1ª aproximação as partículas da cascata deslocam-se: i. com velocidade igual a c; ii. paralelamente à direcção do raio cósmico; transformação de coordenadas do plano do detector para o plano pontos de igual densidade de fotões em cascatas iniciadas por protões de 10 14,5 eV inclinados segundo =25º e =180º. O gráfico da esquerda corresponde à representação nas coordenadas do plano- e o gráfico da direita à representação nas coordenadas do plano do detector. atraso relativo ao ponto de impacto As variáveis usadas são: (, ) - ângulos de incidência do raio cósmico (º); (X,Y) - coordenadas do plano do detector (m); (x,y) - coordenadas do plano (m);

7 7 Cascatas de partículas na atmosfera (V) distribuições temporais dos fotões de cascatas iniciadas por protões verticais de 10 14,5 eV a diferentes distâncias do ponto de impacto descrição fenomenológica de cascatas inclinadas: i. projectando as coordenadas no plano - obtêm-se distribuições semelhantes às das cascatas verticais (aproximação de dispersão/atenuação isotrópica); ii. o número de partículas é atenuado pelo maior percurso na atmosfera ( X(0º) 1030gcm -2 ; X(45º) 1455gcm -2 ); parametrizações dos momentos das distribuições de s (Condições: protão primário, eV E o eV, =0º, E 1MeV, X = 1030gcm -2 = 50m) densidade de s tempo de atraso dos s As variáveis usadas são: a - factor de escala (m -2 ); r - distância ao ponto de impacto (m) r o - raio de Moliére (79 m)

8 8 3. Reconstrução de eventos montagens para identificar sinais típicos nos cintiladores método de detecção de partículas carregadas usando um cintilador montagens para identificação da passagem de um fotão (esquerda) e de um muão (direita) de uma cascata a amostragem de cascatas é feita usando uma rede de unidades de cintiladores + fotomultiplicadores + PC(c/GPS)

9 9 Reconstrução de eventos (II) Teste dos algoritmos de reconstrução amostragem dos resultados de simulações do Corsika para cascatas iniciadas por protões de 10 14,5 eV com inclinação =0º, 12.5º, 25º; d 1 m P 1 d(¼, ¼) P 2 d(½,0) P 3 d(½, ½) foram simulados três pontos de impacto; detalhes das interacções entre as partículas e os detectores foram ignorados; rede quadrada (120m 120m) de detectores de 1m 2 ;

10 10 Reconstrução de eventos (III) ponto de impacto: direcção de incidência: energia (não abordada nesta apresentação) : Métodos de reconstrução por minimização das variáveis fulcrais Medição da densidade de partículas: (dependente da energia e da inclinação) Medição da dispersão temporal: ( independente da energia, dependente da inclinação ) Medição dos atrasos relativos: ( independente da energia, dependente do ponto de impacto ) As variáveis usadas são: A k - área do k-ésimo detector (m 2 ); k -factor de correcção do desvio padrão amostral; r k - distância do k-ésimo detector ao ponto de impacto (m); ref- índice do detector de referência (com maior sinal); GPS - erro do sistema GPS; i. inversão do factor de escala da densidade de partículas ajustada ao evento; ii. medição da densidade de partículas a uma distância óptima que minimiza flutuações físicas + flutuações de Poisson (processo de contagem);

11 11 Reconstrução de eventos (IV) Distribuições das variáveis geométricas reconstruídas por minimização de variáveis fulcrais para eventos iniciados por protões de 10 14,5 eV inclinados segundo =12,5º =180º. usando s para E o = 10 14,5 eV e d = 20m Desvios padrão das gaussianas ajustas às distribuições das variáveis geométricas reconstruídas para diferentes inclinações do raio cósmico primário. (*) - quando 0º o ângulo azimutal é reconstruído com distribuição uniforme. Reconstrução geométrica

12 12 Reconstrução de eventos (V) distribuições dos ângulos reconstruídos quando os tempos médios do evento são perturbados por um erro GPS =10ns Influência da precisão do GPS o tempo relativo medido entre os detectores é afectado pela imprecisão do GPS ( 1ª aproximação: t GPS ~ G (0, GPS ) ref. [MEYE] ) resultado da amostragem dos fotões de uma cascata. Os círculos representam os detectores e o seu raio é igual à densidade de fotões medida. Junto a cada círculo representa-se o tempo médio de chegada dos fotões. Se GPS =0ns os ângulos reconstruídos seriam = 24,8º = 179,2º. resultados para diferentes valores de GPS usando s para E o = 10 14,5 eV e d = 20m

13 13 4. Conclusões A medição de raios cósmicos primários ao nível do mar é feita indirectamente pelo estudo das cascatas que iniciam: i. o tamanho da cascata mede E o [ ] ii. a dispersão espacial e temporal medem o ponto de impacto [ ] iii. o tempo de atraso mede a direcção de incidência [ ] iv. o número de muões mede a massa nuclear [ ] Para as dimensões do Instituto Superior Técnico (~100m 100m) uma rede de cintiladores com d~25m reconstrói potencialmente eventos a partir de eV; As incertezas dos métodos de reconstrução usados são: i. ponto de impacto: x ~ y ~ 4 m; ii. direcção de incidência: ~ 1º ~ 4º; A determinação do ângulo de incidência depende essencialmente do erro do sistema GPS

14 14 5. Perspectivas futuras 5.1. Modelos e simulação Estudar cascatas iniciadas por núcleos pesados (He, Fe, etc.); Melhorar algoritmos de reconstrução; Procurar métodos alternativos de reconstrução de eventos; Simulação das interacções entre as partículas e os detectores 5.2. Experimentação Construir protótipos do detector de cascatas: i. identificar sinal das partículas; ii. efectuar calibração temporal; iii. automatizar o detector;

15 15 6. Fontes de informação [GREI] - K. Greisen, Cosmic ray showers, Ann. Rev. Nuclear Science 63(10) 1960 [CRON] - J. Cronin, Cosmic rays: the most energetic particles in the universe, Rev. Mod. Physics 72(2) 1999 [WATS] - A. Watson e M. Nagano, Observations and implications of the ultrahigh-energy cosmic rays, Rev. Mod. Physics 689(72) 2000 [SIMP] - J. Simpson, Elemental and isotopic composition of the galactic cosmic rays, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci., [CORS] - D. Heck e outros, CORSIKA: A Monte Carlo Code to Simulate Extensive Air Showers, FZKA 6019, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1998 [MEYE] - F. Meyer e F. Vernotte, Time Tagging Board Tests at Besançon Observatory, GAP [DIRE] - Directório de experiências de astropartículas, [PRES] - W. H. Press, Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing, Cambridge University Press, 1992


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