Astrofisica Gamma

1. Astrofisica Gamma (brevi cenni su..) STACEE HESS ARGO-YBJ

2. Sciami elettromagnetici atmosferici Lo sciame inizia a ~20 Km di altezza, con un massimo a ~10 Km per energie dell’ordine del GeV. L’asse dello sciame “segue” la traiettoria originale del fotone iniziale. gamma, e+/e- , µ+/µ-, hadrons I fotoni Cerenkov vengono emessi in un cono di circa 1 grado e arrivano a Terra su una superficie dell’ordine di un centinaio di mq. I raggi cosmici danno origine a sciami con fluttuazioni molto più importanti, molto più larghi ( a causa del Pt kick intrinseco) e con meno luce (a causa della maggiore presenza di pioni e muoni non relativistici). La luce Cerenkov contenuta in un dato cono è molto minore rispetto a quella di uno sciame elettromagnetico della stessa energia. Astrofisica Gamma

3. Sciami elettromagnetici atmosferici Simulazione della luce emessa da un fotone di 100 GeV Punto di impatto dei fotoni Cerenkov Tempo di arrivo dei fotoni: Distribuzione smooth sferica Astrofisica Gamma

4. Sciami elettromagnetici atmodferici Simulazione della luce emessa da un fotone di 100 GeV Fotoni per mq vs distanza dal centro Tempo di arrivo dei fotoni vs distanza dal centro. Astrofisica Gamma

5. Sciami adronici atmosferici Simulazione della luce emessa da un protone di 500 GeV Punto di impatto dei fotoni Cerenkov Tempo di arrivo dei fotoni: Distribuzione smooth sferica Astrofisica Gamma

6. Sciami adronici atmosferici Simulazione della luce emessa da un protone di 500 GeV Fotoni per mq vs distanza dal centro Tempo di arrivo dei fotoni vs distanza dal centro. Astrofisica Gamma

7. Separazione Gamma-Adrone Telescopi a imaging (MAGIC e HESS) hanno camere a pixel che consentono tagli piuttosto netti sulle immagini. gamma muon Rivelatori a campionamento (STACEE e altri..) devono invecesfruttare la struttura dei differenti fronti di luce for ottenere la separazione gamma-adrone. Astrofisica Gamma

8. Soglia in Energia Il problema è quello si misurare piccoli flussi di fotoni da sciami elettromagnetici di bassa energia, in presenza del fondo diffuso notturno. Semplice formula….. Limitazioni intrinseche alla risoluzione temporale imposte dalla fisica dello sciame……ci si concentra su efficienza di rivelazione e area del rivelatore. • E Soglia in energia • Fondo diffuso notturno • Angolo solido (campo di vista) • Risoluzione temporale • Efficienza di raccolta ASuperficie di raccolta Astrofisica Gamma

9. Solar Tower Atmospheric Cerenkov Effect Experiment 34.96° N 106.51° W 1700 m alt 212 specchi Torre di 70 m Astrofisica Gamma

10. Solar Tower Atmospheric Cerenkov Effect Experiment NSTTF (National Solar Thermal Test Facility), Albuquerque, NM, U.S.A., mantenuto dal Laboratorio Nazionale SANDIA. Specchi originalmente disegnati e realizzati per ricerca nel campo della raccolta dell’energia solare! La collaborazione dimostra la fattibilità del loro utilizzo per raccogliere luce Cerenkov durante la notte. Costruito da una collaborazione U.S/Canada tra il 1997 e 2001. Pienamente operativo. Principio di funzionamento: sciame elettromagnetico generato dal fotone nel suo attraversamento dell’atmosfera terrestre. Alcune delle particelle generate possono viaggiare a velocità superiori a quella delle luce e generare luce Cerenkov. I fotoni Cerenkov vengono riflessi su degli specchi secondari posizionati nella Torre centrale (Solar Tower), e direzionati su fotorivelatori (tubi fotomoltiplicatori) che trasformano la luce in un segnale elettrico. Astrofisica Gamma

11. STACEE Gli specchi di STACEE hanno una superficie di circa 37 metri quadri. La luce Cerenkov viene riflessa su specchi di più piccole dimensioni. Gli specchi principali costituiscono un telescopio per raggi gamma di superficie molto estesa (circa 2000 mq), che consente lo studio dei fotoni nell’intervallo di energia tra qualche decina di GeV e 500 GeV. Ad un costo che è solo una frazione di quello di un esperimento su Satellite! Ogni singolo blocco è composto da una matrice 5 x 5 di specchi, ognuno di 0.37 mq. Gli specchi possono essere orientati singolarmente e messi a fuoco (con una “certa” precisione!) in modo da generare una “foto” del sole di 2m in diametro in cima alla Torre. Tutti i singoli blocchi sono individualmente orientabili con una precisione di 3 arcmin. Astrofisica Gamma

12. Tre specchi da 2m ognuno con la sua camera individuale da 16 canali STACEE Due specchi da 1m ognuno con la sua camera individuale da 8 canali Astrofisica Gamma

13. STACEE Tubi fotomoltiplicatori da 51 mm. “mapping” 1 a 1 dei singoli “blocchi”: 16+48 = 64 campioni indipendenti di misure di luce Cerenkov. Stadio finale dell’ottica di STACEE: concentra la luce di un “blocco” in un unico tubo fotomoltiplicatore (DTIRC = Dielectric Total Internal Reflection Concentrator). Astrofisica Gamma

14. STACEE Un piccolo esperimento per gli standard di oggi! Quasi le dimensioni di un esperimento da laboratorio….. Read-out usa real-time Linux computer in crate VME (anche CAMAC): GHz FADC…. Astrofisica Gamma

15. STACEE • Caratteristiche di STACEE • area rivelatori 2000 m2 • soglia di 30 GeV • superficie coperta dai rivelatori 20000 m2 • Tecnologia ottica ad alto livello • Fast Read-out: 40 ADC 1GHz per la ricostruzione degli EAS Astrofisica Gamma

16. Astrofisica Gamma

17. HESS Quattro telescopi, 107 m2 ognuno 960 PMT cameras, field of view 5o. PSF < 0.1°. Osservazioni durante notti serene e senza luna, ~1000 h / year Centinaia di oggetti osservati ogni notte: ~300 imamagini registrate al secondo Khomas Highlands, Namibia 1800 m asl Operativo dal 2003 Soglia in energia: ~ 100 GeV, ~20% risoluzione Sensibilità: 1% Crab in 25 h (5) Astrofisica Gamma

18. HESS Astrofisica Gamma

19. HESS • Struttura meccanica: • Telaio di acciaio • Peso, 60 tons • Specchio • Area 107 m2 • Segmentato in 380 specchi individuali di 60 cm di diametro • Diametro 13 m • Lunghezza focale 15 m • Camera Astrofisica Gamma

20. HESS - CAMERA • 960 pixels (tubi fotomoltiplicatori), dimensioni 0.16° • 5° field of view • Elettronica di lettura integrata sulla camera Sistema modulare. Un sistema di Trigger centrale utilizza le informazioni dei singoli telescopi per formare coincidenze multiple (minimo di due) che consentono la ricostruzione stereoscopica degli sciami. Astrofisica Gamma

21. HESS - CAMERA 960 fotorivelatori ognuno dei quali vede un angolo di 0.16°, 29 mm fototubi Photonis con finestre di borosilicato. Coni di Winston per migliorare la raccolta di luce. Il sistema completo pesa circa 800 Kg e dissipa circa 5KW! Astrofisica Gamma

22. HESS - LIVETIME Efficienza: 64% Inefficienze dovute a : Cattivo tempo 23% Rivelatore 6% Target change 7% Astrofisica Gamma

23. ARGO - YBJ (Yangbajing) • Astrophysical Radiation with Ground-based Observatory at YangBaJing • 4300 asl, a Yangbajing, 90 km a nord di Lasha (Tibet) • ~ 606 g/cm2 di spessore atmosferico • Rivelatore di sciami atmosferici a copertura totale, 7000 m2 • Diversamente dagli apparati tradizionali, normalmente in grado di campionare una piccola frazione dello sciame (~1-2%), ARGO-YBJ consente di rivelarne un’elevata frazione, fino al 90%. • Possibilità di effettuare studi topologici • Efficiente anche per sciami di energia minore (minore atmosfera) • Ottima risoluzione temporale, 1 ns, alta sensibilità verso sorgenti di raggi gamma • Ampio campo di vista (FOV) • Alta percentuale di tempo effettivo di presa dati Astrofisica Gamma

24. ARGO - YBJ (Yangbajing) • Dispositivo a copertura totale di dimensioni 78 x 74 m2, realizzato con singolo strato di camere ad elettrodi piani resistivi (RPC) • Anello di guardia, parzialmente equipaggiato con RPC, incrementa l’area attiva fino a 111 x 99 m2. • Costituito da 154 unità logiche, chiamate Clusters, di cui 24 nell’anello di guardia. Totale di 1848 RPC. • 12 RPC/cluster, • 1 RPC 126 x 285 cm2 Astrofisica Gamma

25. ARGO - YBJ (Yangbajing) Astrofisica Gamma

26. ARGO - YBJ (Yangbajing) Astrofisica Gamma

27. ARGO - YBJ (Yangbajing) • 154 CLUSTERs, 18480 PADs • Area totale del rivelatore: 6500 m2 • Risoluzione angolare 0.5o • Misura del tempo e del numero di particelle Astrofisica Gamma

28. ARGO - YBJ (Yangbajing) Resistive Plate Chamber Bassi costi, alta efficienza, buona risoluzione spaziale e temporale (<1ns), facilità di assemblaggio, struttura meccanica semplice, alta zona di copertura sensibile. Astrofisica Gamma