Extreme Energy Events La scienza nella scuola

Extreme Energy Events La scienza nella scuola Silvia Miozzi

EEE project Il Progetto EEE (Extreme Energy Events) utilizza rivelatori a gas in grado di misurare con grande precisione il tempo di arrivo e la direzione della componente muonica dello sciame Questi rivelatori denominati MRPC (Multigap Restive Plate Chamber) sono distribuiti su tutto il territorio nazionale La ricerca degli eventi ad alta energia viene fatta cercando segnali in coincidenza tra stazioni lontane

Obiettivo del Progetto EEE Rivelazione sciami estesi di raggi cosmici ad alta energia tramite il campionamento della componente muonica utilizzando una rete di rivelatori sparsi sul territorio italiano

Cosa sono i Raggi Cosmici? Sono una delle principali componenti dell Universo e la maggiore fonte di materiale extra-terrestre. Si presentano sotto forma di radiazione molto penetrante (particelle subatomiche cariche molto energetiche). La loro rivelazione ci può fornire informazioni sull Universo e sugli oggetti che lo popolano

Quali particelle formano i Raggi Cosmici? I raggi cosmici sono nuclei di atomi di materia ordinaria: elettrone ~ 90% Idrogeno ~ 9 % Elio ~ 1 % tutti gli altri nuclei nucleo (protoni + neutroni) L atomo piú comune nell Universo é l atomo di Idrogeno. Il suo nucleo é costituito da un protone.

Lo Spettro dei Raggi Cosmici 1 p/(m 2 sec) Knee 1 p/(m 2 y) 1 p/(km 2 y) Fino a 10 20 ev!!!

Quanti Raggi Cosmici ci raggiungono? I raggi cosmici bombardano continuamente la Terra da ogni direzione. Fuori dall atmosfera terrestre su ogni metro quadrato piovono circa 30000 particelle ogni secondo!!! L atmosfera terrestre assorbe la maggior parte dei raggi cosmici.

I Raggi Cosmici e l atmosfera Quando un Raggio Cosmico raggiunge l atmosfera terrestre a) la particella primaria collide con i nuclei dell aria provocando una b) cascata di particelle secondarie di energia più bassa, che a loro volta c) subiscono ulteriori collisioni producendo uno sciame di miliardi e più di particelle che raggiungono il suolo terrestre in un area la cui estensione può essere anche di diversi km 2.

Da dove vengono i Raggi Cosmici? L identificazione delle sorgenti di R.C. è legata alla loro energia Alle basse energie: Il nostro Sole (eruzioni solari) Alle medie ed alte energie: Esplosioni di Supernova??? Ad altissime energie:... Buchi neri super massicci... gamma-ray bursts???... oggetti sconosciuti dell Universo...???

Quantità Energia

The Ultra-High Energy Cosmic Ray (UHECR) Spectrum: State of Affairs: Best statistics from HiRes experiment (data through 6/2005) nitrogen fluorescence. Significant differences with AGASA surface scintillator array. Auger surface detector (SD), calibrated with fluorescence detector (spectrum shown 2005 International Cosmic Ray Conference)

CR Energy spectrum Above 10 20 ev we expect a cut-off (GZK mechanism) CR with energy in excess of 10 20 ev have been detected P Δ N Greisen-Zatsepin-Kuzmin Supression: Photo-production of pions from CMBR γ3k π Sources and acceleration mechanism for UHECR production (E >10 19 ev) are unknown Sources must be < 50 Mpc!!!

Results from Pierre Auger observatory (2013)

The Auger observatory Argentina

Perchè servono tanti rivelatori? Esempio: voglio rivelare 100 sciami con un energia di ~10 19 ev So che di questi eventi ne arriva 1 ogni anno su un km 2 di superficie. Come faccio a vederne 100? Se costruisco un rivelatore grande 1 km 2 devo aspettare 100 anni Con un rivelatore grande 100 km 2 aspetto solo 1 anno Tanti rivelatori vicini sono come un grande rivelatore

Lavorare con le scuole L installazione di un large area array richiede una zona molto estesa e poco popolata Oppure una zona molto estesa e densamente popolata con molte scuole 1999 in Alberta (Canada) ALTA (Alberta Large-area Time-coincidence Array) comincia a prendere dati con la collaborazione di tre scuole

NALTA Network Most of the major groups in Canada and USA have formed a loose collaboration (North American Largearea Time Coincidence Arrays) with more than 100 detector stations spread across North America. The detector systems are plastic scintillators which are read by custom made electronics and which use GPS for precise coincident timing with others nodes.

European projects The European groups are also developing a similar collaboration called Eurocosmics. It is clear that the natural next step is to combine North America and European networks into a worldwide network to comprehend the Extreme Energy Universe

The EEE experiment In 2004. a pilot project with telescopes in 7 High Schools (Bari, Bologna, Cagliari, Catania, Frascati, L Aquila, Torino) In 2015: an experiment with 47 EEE Directional Telescopes for m cosmic ray detection (in 2016: 52!!) 42 in italian High Schools (+ 5 in preparation) + 2 at CERN + 3 at INFN units across an overall area of 0.5 x 106 km2 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

Cerchiamo le coincidenze L energia e la direzione del raggio cosmico primario vengono determinate tramite il conteggio e la ricostruzione della direzione della componente muonica Due o più muoni rivelati da stazioni distanti provengono dallo stesso sciame se: sono contemporanei (entro un certo intervallo di tempo che dipende dalla distanza relativa delle stazioni, O(1ms)) hanno una piccola divergenza angolare (O(1 )) La correlazione degli eventi misurati da telescopi differenti si fa offline utilizzando la tecnologia GPS che con una precisione di circa 100 ns individua eventi contemporanei

Il telescopio di EEE m MRPC 3 MRPC 2 80 cm MRPC 1 82 cm 160 cm

Caratteristiche del telescopio Ottima risoluzione temporale Ottimo sistema di tracciamento per ricostruire la traiettoria del muone

Ottima risoluzione temporale : perchè? fronte dello sciame Lsinq = cdt q L cdt Ldq dq = cdt = cdt/l per migliorare la risoluzione angolare

Ottima risoluzione angolare L = 1000 m (distanza tra i rivelatori) dt= 100ps =0,1ns (risoluzione temporale) c -1 = 3ns/m (inverso velocità della luce) dq= cdt/l ~10-4 rad 1 rad 60 dq 6x10-3

Rivelatore a gas catodo Contenitore riempito di gas facilmente ionizzabile E Campo elettrico uniforme anodo E Radiazione ionizzante interagisce con il gas creando coppie elettrone-ione positivo Elettroni si muovono verso l anodo Ioni positivi si muovono verso il catodo

Moltiplicazione a valanga E l x Aumentando l intensità del campo elettrico (>10 kv/cm) gli elettroni possono acquistare energia sufficiente per produrre una nuova ionizzazione e così via con la formazione di una valanga A causa della grande mobilità degli elettroni rispetto agli ioni positivi la valanga ha la forma di una goccia: sul fronte gli elettroni, sulla coda gli ioni

Formazione e lettura del segnale - HV 0 E V 0 x d V -1 (elettroni) = 200 ns/cm

Elettrodi Resistivi Quali sono i vantaggi nell utilizzo di catodi ad alta resistività? Trasparenza: questi materiali essendo non metallici evitano l effetto gabbia di Faraday : il segnale viene trasmesso all esterno del rivelatore! E dunque possibile posizionare gli elettrodi di lettura all esterno del rivelatore Utilizzando elettrodi di lettura esterni il rivelatore viene praticamente diviso in 2 parti completamente indipendenti: una parte attiva di rivelazione (gas + HV) e una parte passiva di lettura (elettrodi esterni).

RPC: Resistive Plate Counter Geometria planare (campo elettrico uniforme) Elettrodi resistivi (vetro) Gap 2,0 mm Lettura effettuata con strips esterne al rivelatore isolate dal piano dell alta tensione vetro

Risoluzione temporale con miscele tradizionali e gap da 2 mm: Dt l/v 1 ns l cammino libero medio degli elettroni ( 70-80 mm) v -1 velocità di deriva degli elettroni (200 ns/cm) Per migliorare Dt: l piccolo e v elevato. Questo si può ottenere con miscele di gas particolari ( dense/veloci ) : C 2 H 2 F 4 (Suva-134) SF 6 e campi elettrici elevati (fino a 100kV/cm) si ha: l 10 mm v 100 mm/ns Dt 0,1 ns

MRPC Miglior risoluzione temporale Miscela di gas densi e veloci Bassa efficienza Gap piccola per evitare scariche Multi-gap RPC

Gli MRPC di EEE Multigap Resistive Plate Chamber Miscela di gas densi e veloci = 95% C 2 H 2 F 4 5% SF 6 6 gap da 300 mm Elettrodi in vetro 1,1/1,8 mm 5 floating e 2 connessi a HV Tensione di lavoro 20 KV Segnale sommato sulle 6 gap Risoluzione temporale 100-200ps Risoluzione spaziale 1 cm 2

MRPC Non sono più RPC assemblati La tensione è applicata solo agli elettrodi esterni Gli elettrodi interni sono floating e la loro tensione è regolata dal campo elettrico tra gli elettrodi esterni Il segnale è la somma dei segnali nelle singole gap -10 kv (catodo) -8 kv -6 kv -4 kv -2 kv 0 V (anodo)

-10.000V - 9.999 9.998 9.997 V + - + - + - 0 V

0 V - 10.000 V + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - 0 V

Autocompensazione della tensione + + + + + + + + + + + + + + + + 0-10.000 V V - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + - 5.000 V - - - - - - - - - - - - - - - - 0 V

TDC Il segnale viene indotto sulle strip DAQ Ogni strip è collegata ad un differente canale sulla scheda di front -end m Il TDC (Time to Digital Converter) converte il segnale analogico in un tempo

Front-End cards and cables The 24 channels front end card is the same used in ALICE TOF and is based on NINO ASIC chip NINO ASIC (ALICE TOF) AMPHENOL cables

Ricostruzione della traccia Il punto di impatto viene individuato: dal numero della strip (x) dalla differenza del tempo di arrivo del segnale alle estremità delle strip (y) Conoscendo I tre punti d impatto è possibile ricostruire la traiettoria

HV System Alta Tensione applicata tramite DC-DC converter Il sistema fornisce HV fino a ± 10 kv se alimentato da 0 V a 5 V I DC-DC converter sono inseriti all interno di scatolette connesse direttamente alla box di alluminio che contiene l MRPC

La costruzione studenti e insegnanti trascorrono una settimana ai laboratori del CERN di Ginevra per costruire gli MRPC

Studenti e insegnanti lavorano al fianco dei ricercatori in un ambiente internazionale

8/01/2006 14/01/2006 Istituto Villa Sora 15/01/2006 21/01/2006 ITIS Fermi 22/01/2006 28/01/2006 Liceo Touschek

Trasporto eccezionale dal CERN

Il telescopio di EEE m MRPC 3 MRPC 2 80 cm MRPC 1 82 cm 160 cm

Coincidenze nel sito del Gran Sasso Distribuzione delle differenze di tempi di trigger di due stazioni. Gli eventi del picco sono dovuti a particelle appartenenti allo stesso sciame

Coincidenze nel sito di Frascati/Grottaferrata Coincidenze,cosq 12 >0.99 140 120 Entries 5370 c 2 / ndf 51.62 / 57 p0 142.5 ± 24.2 p1 0.2661 ± 0.1013 p2 0.4913 ± 0.0779 100 80 60 40 20 0-15 -10-5 0 5 10 15 D t (ms)

Physics outcome: coincidences 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

The EEE experiment 62 (part-time) researchers, technologists and tecnicians The EEE outreach In the last 3 years in high schools: >100 teachers, ~500 students directy involved; >20,000 students and their families and friends had one or more contacts with EEE events or activities 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

What students do (I) : At Chamber construction: one week to build 3 chambers At School: Set-up of the Telescopes Chamber efficiency measurements and calculation In 2004-2015 students coming at CERN for the detector assembly: 44 schools (+ 2 this fall) : 5-7 students + 2-3 teacher per school For a total of: 250-300 students 50-80 teachers (also headmasters) 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

The 2014 Pilot-run & the 2015 RUN-1 After many single Telescope data taking in 2014: a Pilot-run involving the simultaneous and, for the first time, completely automatic acquisition and data storage: of EEE events from half (23) of the EEE telescopes at the INFN-CNAF computer centre of Bologna has been performed Nearly 1 billion events i.e. muon tracks collected in nearly one month (27 October-14 November) in 2015: for Run-1, two thirds (35) of the EEE telescopes were ready to efficiently data taking: Over 5 billion events i.e. muon tracks collected in about three months (2 February-30 April) 28 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

EEE architecture and data flow Data Telescope 1 Data Telescope 2 Data Telescope 3 Data Telescope 4 Data Telescope 50 data -> C.N.A.F (INFN-Bologna) ( via BitTorrent Sync) received with a 300kB/s bandwidth where they are: Monitored ( Data Quality Monitoring ) In a quasi on-line monitor and Analyzed 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

What students do (II) : At School Even if ALL School PCs are remotely accessible (via TeamViewer) there might be local problems which cannot be solved remotely (ex: empty gas bottle, PC off, thunderstorm problems, ): In these cases student help is essential!!! If problems: solve them or!!! WARN!!! 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

What students do (III) : At School Check DAQ is ON (PC down?) Check GAS is flowing regularly flowingh (empty bottle?) Check chamber hit distributions (dead wires?) 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

What students do (IV): anywhere! (using ad hoc tools ) Fill the e-logbook Check the CNAF online monitoring system 25/11/15 Italian Teachers Porgramme

Physics outcomes: cosmic ray rates and their variation (Forbush decreases)

www.centrofermi.it/eee www.centrofermi.it/monitor silvia.miozzi@lnf.infn.it