Misura del flusso di elio nei raggi cosmici con l'esperimento PAMELA

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Arianna Bellucci
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1 Misura del flusso di elio nei raggi cosmici con l'esperimento PAMELA Candidato: Andrea Cardini Relatore: Dott. Nicola Mori

2 Sintesi dei contenuti I raggi cosmici L'esperimento PAMELA Misura del flusso di elio Confronto con altre misure in letteratura Fit dell'indice spettrale

3 Raggi cosmici

Storia I primi effetti dovuti all'esistenza dei raggi cosmici furono osservati alla

Questo indicava l'esistenza di una radiazione fino ad allora inosservata. 1912: V.

radiazione scoperta non ha origine solare ed aumenta insieme con l'altitudine. 1925: R.

4 Storia I primi effetti dovuti all'esistenza dei raggi cosmici furono osservati alla fine del XX sec.: la scarica spontanea degli elettroscopi. Questo indicava l'esistenza di una radiazione fino ad allora inosservata. 1912: V.Hess trasporta un elettroscopio in volo durante un eclisse solare, provando che la radiazione scoperta non ha origine solare ed aumenta insieme con l'altitudine. 1925: R.Millikan propone per la radiazione il termine raggi cosmici. 1927: Osservazione dei raggi cosmici con la camera a nebbia di C.Wilson.

5 Spettro e composizione I raggi cosmici sono composti da: H (~ 86%) He (~ 11%) e (~2%) Nuclei più pesanti (~1%) Antiprotoni Positroni Anti-elio? 4 p / p e / (e + e ) 0.05 He 10 7 He/

6 Propagazione e accelerazione

7 PAMELA: A Payload for Antimatter-Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics

8 Apparato sperimentale

fotomoltiplicatori Hamamatsu R5900 Ogni strato è diviso in barre, a

9 Tempo di volo (ToF) Misure fornite dal ToF: Tempo di volo Rilascio Il ToF è costituito da: 6 strati scintillatori Bicron BC fotomoltiplicatori Hamamatsu R5900 Ogni strato è diviso in barre, a ciascuna sono accoppiati 2 scintillatori. Risoluzione temporale: 250 ps di energia per ionizzazione

10 Spettrometro magnetico Lo spettrometro è formato da: Un magnete (0.43 T in media nella cavità) Il sistema di tracciamento Risoluzione spaziale: 3 μm nella vista x, 11 μm nella vista y Δ ρ/ρ ρ, MDR=1.2 TV Misure fornite dal sistema di tracciamento: Rigidità magnetica: ρ= p c / Z e Segno della carica elettrica Rilascio di energia per ionizzazione

11 Misura del flusso di elio Preselezione degli eventi Calibrazione dei tagli di selezione di carica col tracciatore Misura dell'efficienza di selezione Valutazione delle contaminazioni residue Tempo vivo e fattore geometrico Fattori aggiuntivi e convoluzione Stima del flusso

12 Preselezioni Qualità dei dati Eliminazione dei dati affetti da errori strumentali Selezioni di base sul sistema di tracciamento Presenza Valore di una sola traccia nello spettrometro del χ2 accettabile Almeno 4 punti associati alla traccia nella vista x e 3 nella vista y Traccia contenuta entro un'accettanza fiduciale Particelle di origine galattica Selezioni di base sul ToF Un β solo rilascio in ognuno degli strati dei piani S1 ed S2 >0

13 Rilascio di energia per ionizzazione Formula di Bethe-Bloch: [ ( Z 2 m c γ β T max δ (β γ) de 1 m Z e 2 =K ln β 2 2 dx Am β 2 2 I ) ] Per γ 3 la curva di Bethe-Bloch presenta un minimo: a questo valore di γ si dice che la particella è al minimo di ionizzazione. Distribuzione di Landau:

14 Calibrazione dei tagli di selezione f (x)= A+ 1 B+ C x 1 MIP è l'energia media rilasciata da una particella con Z =1 al minimo di ionizzazione.

15 Selezione del campione di efficienza

16 Misura dell'efficienza di selezione N sel ε= N presel

17 Contaminazioni residue Stima della contaminazione nel campione di flusso Selezione di un campione di non-elio con I piani del Tof Misura dell'efficienza della selezione di carica del sistema di tracciamento su questo campione 4 ε 10 Efficienza misurata: Dato che l'elio costituisce il 10% circa dei raggi cosmici si ha una contaminazione residua del

18 Il flusso Il flusso è definito dalla formula: 4 N Φ= t ρ Ω S Sperimentalmente si usa la forma discretizzata: Φi= N sel i εi LT Δ ρi GF i Dove: i N sel ε LT GF Δρ indice del bin di rigidità numero di particelle selezionate efficienza di selezione tempo vivo fattore geometrico larghezza del bin di rigidità

19 Tempo vivo e fattore geometrico Tempo vivo (LT) Rappresenta il tempo in cui l'apparato sperimentale è sensibile al passaggio di una particella. Durante il tempo di raccolta dati (tempo morto) l'apparato non può registrare il passaggio di altre particelle. Tiene conto della rigidità minima necessaria ad una particella per raggiungere la regione dove si trova il satellite. Fattore geometrico (GF) 14.4 cm2 sr Per un rivelatore ideale è definito dalla formula: Dove: C=GF I 0 C è il tasso di conteggio I 0= Φ d ρ

20 Fattori aggiuntivi e convoluzione Efficienza del sistema di tracciamento Varia tra εtrkbasic 0.83 nel periodo iniziale di raccolta dati e εtrkbasic 0.25 in quello finale Efficienza del ToF Varia in funzione della rigidità e debolmente in funzione del tempo ma presenta un valore medio di εtof 0.8 Correzione per le interazioni dei primari al di sopra dell'apparato Possibili interazioni: Scattering elastico Frammentazione dei nuclei C int 0.88 Convoluzione Effetto di rallentamento a basse rigidità Limitata precisione nella misura della rigidità Effetto netto di migrazione degli eventi verso regioni a rigidità più elevate.

21 ρ2.7 Flusso di elio nei raggi cosmici

22 ρ2.7 Fit dell'indice spettrale γ f (ρ)=φ ρ Funzione di fit: 0 Intervallo di rigidità: GV Risultati del fit: Φ 0=(2.8±1.1) 10 (m sr s GV ) γ=2.71±0.10

23 Grazie per l'attenzione

24 Grafici e immagini

26 Tempo vivo (s)

27 C int Fattore correttivo per interazioni dei primari al di sopra dell'apparato

28 C TrkEff Fattore correttivo all'efficienza del sistema di tracciamento

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