Misura della frequenza di impatto di raggi cosmici di alta energia su 2 telescopi

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1 Misura della frequenza di impatto di raggi cosmici di alta energia su 2 telescopi F.Pilo EEE, Giornate di Studio Grosseto Aprile 2016

2 Il segnale Quali sono le caratteristiche utili ad identificare il fenomeno fisico che vogliamo evidenziare? In prima approssimazione i raggi cosmici di alta energia (> ev) producono nell interazione con l atmosfera sciami di particelle che viaggiano raggruppate in un «disco» Numero di particelle: Diametro del disco: o(1 km) Spessore del disco: o(1 µs) Simulazione - Muoni a terra generati da un protone primario di ev 2

3 Che tipo di eventi vogliamo selezionare? Due telescopi investiti da uno stesso sciame registrano eventi «quasi» contemporanei, cioè con una differenza dei tempi di arrivo o(µs) Telescopio 1 Telescopio 2 3

4 Numero di coincidenze atteso tra due telescopi in funzione della distanza 4

5 Il fondo Un tipico telescopio di EEE acquisisce eventi con una frequenza media di circa 20 Hz Tali eventi sono per la gran parte dovuti a sciami prodotti da raggi cosmici di bassa energia che possono al massimo interessare un singolo telescopio Supponendo costante la frequenza di acquisizione di 20 Hz ed ogni evento non correlato al successivo, in un secondo verranno raccolti mediamente 20 eventi distribuiti temporalmente con ugual probabilità lungo l intervallo di tempo considerato 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Tempo [s] 5

6 Acquisiamo dati per 3 secondi PRIMO SEC TOTALE EVENTI ACQUISITI: ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Tempo [sec] SECONDO SEC TOTALE EVENTI ACQUISITI: ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Tempo [sec] TERZO SEC TOTALE EVENTI ACQUISITI: ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Tempo [sec] 6

7 Frequenza Eventi acquisiti TOTALE EVENTI RACCOLTI: 198 MEDIA AL SECONDO: 19, Tempi di arrivo [s] Tempi di arrivo [s] 7

8 ENTRIES Entries Distribuzione della differenza dei tempi di arrivo tra due telescopi Simulazione del fondo Generato utilizzando il foglio di calcolo bcksimulation.xlsm Parametri utilizzati: Intervallo di tempo 10 sec Numero di eventi 200 Time Differences between arrival times in telescope 2 and telescope TIME DIFF [µsec] 8

9 Quanti eventi di fondo in un intervallo di +/-1 microsec? Consideriamo 1 giorno di presa dati Un giorno corrisponde a 60 x 60 x 24 = sec A 20 Hz, in un giorno ogni telescopio raccoglierà in media = eventi Se calcoliamo la differenza tra il tempo di arrivo di ciascun evento nel telescopio 1 e quello di ciascun evento nel telescopio 2 otterremo x = entries Se la distribuzione è triangolare la sua altezza in t1-t2=0 sarà (2x )/(2x86400)= entries/sec In 2 µsec il numero di eventi raccolti sarà x0,000002=69,12 entries -1 µsec 1 µsec 9

10 Conteggi Conteggi 33 Solo fondo Differenza tra tempi di arrivo [µs] Aggiungiamo 1 conteggio di segnale indistinguibile! Differenza tra tempi di arrivo [µs] 10

11 Conteggi Conteggi 10 conteggi di segnale sono molto difficilmente rivelabili Differenza tra tempi di arrivo [µs] 80 conteggi di segnale creano un accumulo ben evidente Differenza tra tempi di arrivo [µs] 11

12 Misuriamo il numero di coincidenze tra LAQU- 01 e LAQU-02 Il materiale allegato alla master class contiene: file dati riguardanti la differenza di tempo tra gli eventi registrati in LAQU-01 e LAQU-02 (dati del RUN- 01 e RUN-02) foglio excel per effettuare tutti i calcoli necessari al fine di ricostruire la distribuzione della differenza dei tempi Distanza tra i telescopi: 190 m Le simulazioni prevedono circa 90 coincidenze al giorno 12

13 Formato dei dati forniti a corredo dell esercitazione I dati sono contenuti all'interno della cartella coincidences, organizzati in file di testo (.csv) I file sono prodotti al CNAF da una routine automatica Ciascun file contiene una riga per ogni differenza di tempo calcolata tra gli eventi registrati in due telescopi Il formato di ogni riga è il seguente: CAMPO 1: ora/data di attraversamento nel telescopio 1 [secondi dal ] (con precisione fino al µs) CAMPO 2: ora/data di attraversamento nel telescopio 2 [secondi dal ] (con precisione fino al µs) CAMPO 3: differenza tra i tempi di attraversamento [nanosecondi] CAMPO 4: azimut della tracciata lasciata dalla particella nel telescopio 1 [gradi] (misurato senso orario dal nord geografico) CAMPO 5: azimut della tracciata lasciata dalla particella nel telescopio 2 [gradi] (misurato senso orario dal nord geografico) CAMPO 6: altezza della tracciata lasciata dalla particella nel telescopio 1 [gradi] CAMPO 7: altezza della tracciata lasciata dalla particella nel telescopio 2 [gradi] CAMPO 8: χ 2 del fit della tracciata lasciata dalla particella nel telescopio 1 (esprime la "qualità dell'evento") CAMPO 9: χ 2 del fit della tracciata lasciata dalla particella nel telescopio 2 (esprime la "qualità dell'evento") Esempio: RIGA # , , , , , , , 2.728,

14 Entries Distribuzione della differenza dei tempi di arrivo tra due telescopi Dati sperimentali 3000 LAQU-01/LAQU-02 TIME DIFFERENCE Exp. data Generato utilizzando il foglio di calcolo coincidences_a.xlsm Dati da LAQU-01/LAQU-02 nel periodo 9/11/2015 al 19/01/ Arrival time difference [nsec] 14

15 Entries Proviamo a misurare il numero di coincidenze al giorno 3000 LAQU-01/LAQU-02 TIME DIFFERENCE In questa zona è possibile stimare il numero di conteggi dovuti al fondo: circa 1000 per bin In questa zona è evidente la presenza di un segnale (le nostre coincidenze?) Exp. data La distribuzione dei conteggi dovuti al fondo è piatta Arrival time difference [nsec] 15

16 Sottraendo il fondo dal segnale si può stimare il numero di coincidenze al giorno I dati sperimentali utilizzati sono stati raccolti in un intervallo temporale di circa 71 giorni Il numero di entries della distribuzione delle differenze di tempo in un intervallo di +/- 1,5 µsec è pari a (vedi tabella a fianco) Intervallo [nsec] Entries Entries totali = Entries segnale + Entries fondo = dove possiamo stimare in 15 bin Entries fondo = = da cui i segnali dovuti a coincidenze in 71 giorni si possono stimare in Entries segnale = Entries totali Entries fondo = TOTALE pari a circa 80 coincidenze/giorno 16