Roberto Pesce Genova, 14 Luglio 2004

1. Università degli Studi di Genova Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali TESI DI LAUREA IN FISICA Studio ed ottimizzazione delle prestazioni di un apparato per la rivelazione di Raggi Cosmici di Altissima Energia dallo spazio Roberto Pesce Genova, 14 Luglio 2004

2. SOMMARIO • Conoscenze e problematiche sui Raggi Cosmici di Altissima Energia (UHECR) e sugli Extensive Air Shower (EAS), prodotti dagli UHECR nell’interazione con l’atmosfera. • L’Extreme Universe Space Observatory (EUSO), missione per la rivelazione degli EAS dallo spazio attuamente in studio di fattibilità da parte dell’ESA. • L’EUSO Simulation and Analysis Framework (ESAF), strumento indispensabile per lo studio e l’ottimizzazione del design dell’apparato sperimentale. • Ricostruzione della direzione di arrivo della particella primaria: problematiche, tecniche e risultati. Roberto Pesce

3. I dati ricavati dagli esperimenti più recenti (AGASA e HiRes) sono in disaccordo. ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC RAY • Spettro (vd. figura) • Flusso basso: 1020 eV  16 J !!! (solo 20 osservazioni dal 1963) = AGASA, • = HiRes Roberto Pesce

4. ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC RAY • Su larga scala distribuzione angolare isotropa; su piccola scala si hanno alcuni eventi raggruppati (esistono quindi sorgenti compatte?) • La composizione degli UHECR non è nota. Roberto Pesce

5. ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC RAY • Propagazione degli UHECR: interazione con la radiazione cosmica di fondo Es.: per il protone L’energia di soglia è 71019 eV: ad energie maggiori si ha un cammino libero medio (protone) di 50 Mpc; entro tale distanza non esistono sorgenti conosciute, dovrebbe esserci una “soppressione” nello spettro energetico (GZK cut-off) nel caso che le sorgenti siano distribuite in modo omogeneo. Per i nuclei la lunghezza di attenuazione è 50 Mpc, per i neutrini 40Gpc. Roberto Pesce

6. ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC RAY • Due differenti classi di modelli per spiegare l’origine degli UHECR: Segnatura sperimentale: i vari modelli prevedono composizioni e distribuzioni angolari diverse per gli UHECR. ATTUALMENTE SI HANNO POCHI DATI SPERIMENTALI !!! Roberto Pesce

7. EUSO Extensive Air Shower L’atmosfera terrestre è un gigantesco calorimetro: la rivelazione degli UHECR è possibile per via indiretta tramite l’osservazione degli sciami atmosferici estesi . • In particolare si possono rivelare: • le particelle secondarie (a terra) • la luce di fluorescenza UV • la radiazione Cherenkov • L’osservazione è influenzata da • Assorbimento (O3) • Diffusione (scattering Rayleigh e Mie) banda passante ottimale 330  400 nm (trade-off con prestazioni dell’ottica) Roberto Pesce

8. 30°   400 km  EECR Atmosphere Fluorescence Čerenkov 230 km M.C.M. ‘02 Earth Artist view Extreme Universe Space Observatory • Approccio osservativo: • osservazione dallo spazio di luce di fluorescenza e Cherenkov riflessa/diffusa • un ordine di grandezza in più di accettanza geometrica rispetto ai rilevatori a terra (~105 km2 sr) • grande massa di atmosfera sotto osservazione (~1012 ton) • Tuttavia: • segnale debole, anche se localizzato, rispetto al background (~100 fotoni vs flusso di ~500 fotoni m-2 ns-1 sr -1) • necessario controllare costantemente le condizioni atmosferiche Roberto Pesce

9. Extreme Universe Space Observatory • Schema del rivelatore: • ottica(2 lenti Fresnel) che focalizza l’immagine dell’EAS • superfice focale (mosaico di PMT) • elettronica e trigger (in fase di sviluppo) • ~ 2·105 canali • granularità di 0.1º • risoluzione temporale di 10 ns tra due conteggi nello stesso pixel • Si hanno dei severi vincoli sulle risorse dovuti al collocamento sulla Stazione Spaziale Internazionale: • M  1.5 ton • P  1.2 kW • volume entro 2.5 x 2.5 x 4.5 m3 • flusso dati a terra entro 180 Mbit/orbita Roberto Pesce

10. Il mio lavoro di tesi • Nel mio lavoro di tesi mi sono concentrato sui seguenti aspetti: • Sviluppo dello strumento ESAF per la simulazione e l’analisi dati dell’esperimento, indispensabile in questa fase per lo studio e l’ottimizzazione del design dell’apparato sperimentale, ancora in fase di studio e sviluppo. • Sviluppo, implementazione ed ottimizzazione di algoritmi per la ricostruzione della direzione di arrivo degli EAS, primo passo fondamentale la ricostruzione dei parametri fisici dell’evento. • Elaborazione di un metodo di clustering per la separazione del segnale dal background. • Studio della risoluzione angolare e dell’efficienza di ricostruzionedell’apparato nella baseline attuale (importante per l’ottimizzazione delle performance del rivelatore). Roberto Pesce

11. Studiosistematico delle performance dell’apparato. Ottimizzazione del design del rivelatore. EUSO Simulation and Analysis Framework • Simulazione ed analisiend-to-end: • generazione dell’EAS • trasporto dei fotoni nell’atmosfera • simulazione del detector (ottica, superficie focale, elettronica e trigger) • ricostruzione dell’evento a partire dalla risposta del detector • Caratteristiche generali di ESAF: • linguaggio object-oriented (C++) • uso librerie ROOT • ampia flessibilità e modularità Roberto Pesce

12. EUSO Simulation and Analysis Framework La simulazione di un evento: Simulazione di uno sciame Simulazione del detector Fotoni sulla superficie focale ideale Fotoni che hanno prodotto un conteggio Roberto Pesce

13. EUSO Simulation and Analysis Framework Esempi di sciami sulla superficie focale:(questo è ciò che “vede” la ricostruzione) Sopra: E = 2·1020 eV, =75° Sotto: E = 8·1019 eV, =45° a sx solo segnale, a dx anche fondo (rate di 0.5 fotoelettroni·pixel-1·µs-1) 1 hit; 2 hit; 3 hit; 4 hit difficoltà a ricostruire: sup. foc. non uniforme, canali morti, PSF ottica, background, effetti di bordo, sciami troncati al raggiungimento del suolo,…  necessari algoritmi efficienti Roberto Pesce

14. Ricostruzione • La ricostruzione è effettuata in base ai dati rilevati da un unico punto di osservazione (cinematica degli EAS nota)  ulteriore difficoltà. • La ricostruzione della direzione di arrivo di un EAS si svolge in 3 fasi: • Estrazione della traccia significativa (algoritmo di clustering) • Individuazione del piano contenente lo sciame e il rivelatore (Track-Detector Plane) • Determinazione della direzione di arrivo dello sciame (angoli ,) • istanti di tempo in cui ciascun pixel è colpito • numero di hit in ogni pixel • direzione osservata dai pixel nel campo di vista del rivelatore A PARTIRE DA • Proprietà fisiche rilevanti per gli algoritmi di ricostruzione utilizzati: • densità fotoni sulla sup. foc. diversa per segnale e background; segnale localizzato • gli EAS si sviluppano entro ~15 km di altezza dal suolo: in prima approx si può fissare l’altezza del massimo dello sciame Roberto Pesce

15. x Ricostruzione • Clustering: (estrazione della traccia significativa dal background) • sfrutta il fatto che il segnale è localizzato rispetto al fondo ed è coerente nello spazio e nel tempo • utilizza parametri calcolati a partire dalle proprietà del singolo evento • Ricostruzione del TDP: • fit lineare analitico della proiezione della traccia su un piano orizzontale • fit della mediana, meno influenzato dagli outliers rispetto ai minimi quadrati (mediana estimatore più robusto della media) Roberto Pesce

16. Ricostruzione • Ricostruzione della direzione di arrivo: • metodo approssimato: fit lineare della velocità angolare dello sciame (supposta costante) • metodo esatto: minimizzazione numerica 2 (differenza fra i tempi di arrivo dei fotoelettroni teorici e misurati). • massimo dello sciame individuato in base al pixel più colpito • altezza del massimo fissata a 5 km e ricalcolata con approssimazioni successive • si tiene conto della sfericità della Terra Roberto Pesce

17. Risultati La ricostruzione della direzione di arrivo di un EAS è il primo passo fondamentale per la ricostruzione di tutti i parametri fisici e quindi per lo studio e l’ottimizzazione delle prestazioni dell’apparato. Ho analizzato un campione di 120 mila sciami simulati ad angoli ed energie differenti. L’errore nella ricostruzione è stato calcolato come distanza angolare tra la direzione dell’EAS ricostruita e quella simulata. Ho studiato in particolare la risoluzione angolare (l’errore entro il quale viene ricostruito il 68% degli eventi) e l’efficienza di ricostruzione (% di eventi ricostruiti rispetto a quelli simulati) in funzione dell’angolo di zenith e dell’energia. Gli stessi sciami sono stati simulati sia senza il background, sia con il background (con un rate di 0.5 fotoelettroni·pixel-1·µs -1). Il background reale è variabile per un fattore ~3; il livello di fondo accettabile fissa il duty cycle; le prestazioni ottenute in assenza di background rappresentano il limite superiore raggiungibile. Roberto Pesce

18. Risultati: risoluzione angolare Senza background, metodo esatto Senza background, metodo approssimato Con background, metodo esatto Con background, metodo approssimato Roberto Pesce

19. Risultati: efficienza Senza background Con background N.B.: l’efficienza di ricostruzione non dipende dall’algoritmo utilizzato. Roberto Pesce

20. Conclusioni • La ricostruzione è difficile, specie per sciami poco energetici e/o poco inclinati rispetto alla verticale; ho elaborato dei metodi appropriati per ricostruire la direzione di arrivo degli EAS. • Il background influisce in maniera drastica sulle prestazioni, per eliminarlo ho sviluppato un idoneo algoritmo di clustering. • Ho contribuito allo sviluppo di un software per la simulazione e l’analisi dati in EUSO, fondamentale per poter studiare le prestazioni del detector ed ottimizzarle, implementando gli algoritmi citati. • Ho studiato la risoluzione angolare e l’efficienza di ricostruzione in funzione dell’energia e dell’inclinazione degli EAS utilizzando l’implementazione in ESAF di questi algoritmi. • I miei studi vengono ora utilizzati per capire le prestazioni ed i limiti dell’attuale configurazione dell’apparato sperimentale, in fase di sviluppo, in relazione agli obiettivi scientifici dell’esperimento, e per verificare se ed in quale direzione il design di tale apparato vada migliorato. 14 Luglio 2004 Roberto Pesce 20 Roberto Pesce

21. Conclusioni • In particolare si vede che: • La risoluzione angolare non è del tutto soddisfacente: bisogna migliorare il trigger? L’ottica? La pixel size? • L’efficienza a basse energie non è del tutto soddisfacente: bisogna migliorare il trigger? L’efficienza di rivelazione del sensore? Aumentare l’apertura dell’ottica? Sviluppi futuri • Perfezionamento degli algoritmi. • Studio della risoluzione energetica. • Studio delle prestazioni in funzione del rate di background. • ……... 14 Luglio 2004 Roberto Pesce 21 Roberto Pesce

22. Schema generale di ESAF Roberto Pesce