Badanie wysokoenergetycznych mionów kosmicznych w detektorze ICARUS.

1. Badanie wysokoenergetycznych mionów kosmicznych w detektorze ICARUS. Tomasz Palczewski Promotor: Prof. dr hab. Joanna Stepaniak. Warszawska Grupa Neutrinowa. Seminarium Doktoranckie IPJ 21.11.2006. Warszawa.

2. Plan Seminarium • Cele. • Wysokoenergetyczne miony – pochodzenie, oddziaływania. • Metoda pomiaru energii wysokoenergetycznych mionów . • Zasada działania detektora ciekłoargonowego opartego na technologii komór projekcji czasowej. • Detektor ICARUS T600. • Wyniki. • Testów oprogramowania. • Pomiarów przypadków generowanych MC. • Pomiarów przypadków rzeczywistych z testów detektora w laboratorium naziemnym w Pavii. • Podsumowanie.

3. Cele • Zrozumienie fizycznych przyczyn obserwowanego kształtu widma energii promieniowania kosmicznego. • Widmo promieniowania kosmicznego charakteryzuje się stromym potęgowym spadkiem energii dn/dE = E • Obserwujemy dwa rejony przejściowe: tzw. ”kolano” oraz „kostka”. • Gdyby promieniowanie o ultrawysokich energiach pochodziłyby z Wszechświata obserwowałoby się spadek jego natężenia przy energii 6*106 GeV ze względu na oddziaływanie protonów z mikrofalowym tłem o temperaturze 2,7 K. „Pochodzenie promieni kosmicznych”. A.D.Erylkin, A.W.Wolfendale.

4. Rysunek wykonany na podstawie rysunku z pracy: „Pochodzenie promieni kosmicznych” A.D.Erlykin,A.W.Wolfendale.

5. Cele • Umożliwiają sprawdzenia wielu hipotez dla praw fizyki poza modelem standardowym. • Znajomość fizyki wysokoenergetycznych mionów jest często potrzebna w różnych badaniach: • Oddziaływanie wysokoenergetycznych neutrin. • Poszukiwanie cząstek ciemnej materii.(*) (*) „Detekcja Cząstek Ciemnej Materii w ciekłym argonie. Piotr. Mijakowski. Praca Magisterska. Uniwersytet Warszawski Wydział fizyki. Warszawa wrzesień 2005.

6. Wysokoenergetyczne miony • Stanowią sygnał od oddziaływania neutrin kosmicznych. • w wyniku oddziaływania wysokoenergetycznego neutrina powstaje wysokoenergetyczny mion w procesie wymiany prądów naładowanych. • Stanowią nie tylko sygnaturę ale także tło dla oddziaływań neutrin kosmicznych. • Ze względu na bardzo szerokie spektrum energii mionów prowadziło się, prowadzi się i będzie się prowadziło badania w wielu eksperymentach: • Soudan, Casa, Artemis, Wipple, Auger, L3, Cat, Celesta, Macro, Hegra, Nestor, Tibet AS, Superkamiokande …

7. Miony - podstawowe informacje. • Mion jest leptonem, o spinie ½ obdarzonym ładunkiem elektrycznym równym -1 • Mion jest cząstką niestabilną i rozpada się spontanicznie: • Średni czas życia mionu wynosi 2.2 * 10-6 s. • Masa mionu wynosi 105,6 MeV/c2 Particle Physics Booklet. Particle Data Group. American Institute of Physics.

8. Miony – pochodzenie. • W skutek oddziaływania pierwotnego promieniowania kosmicznego z atomami i cząsteczkami atmosfery powstają głównie mezony . • Z rozpadów naładowanych  powstają miony:

9. Rozpady Kaonów prowadzące bezpośrednio do powstawania mionów. • Proces: stosunek rozgałęzień: • 63.5 % • 3.2 % • 27 % • Rozpady Kaonów prowadzące pośrednio do powstawania mionów. W wyniku rozpadu powstaje naładowany pion, który następnie rozpada się na mion. • Procesy: stosunek rozgałęzień: • 21.2 % • 5.6 % • 1.73 % • 68.6 % • 38.6 % • 12.3 %

10. Oddziaływania neutrin: • Ze względu na bardzo niski przekrój czynny na oddziaływanie neutrin z materią liczba mionów powstałych w wyniku oddziaływania jest znacznie mniejsza od liczby mionów powstałych w wyniku rozpadów hadronowych. • W przypadku prowadzenia badań na dużych głębokościach pod powierzchnią ziemi powstawanie mionów z oddziaływań neutrin należy brać pod uwagę, gdyż odcinamy się od składowej mionów atmosferycznych.

11. Rozpraszanie głęboko nieelastyczne:

12. Rozpraszanie głęboko nieelastyczne: • Rozpraszanie przy dużych energiach i przekazach pędu, możliwe są różne hadronowe stany końcowe.

13. Rozpraszanie głęboko nieelastyczne: • Procesy rezonansowe, zdominowane głównie przez produkcję : • 1. • Gdzie: • 2. • Gdzie:

14. Rozpraszanie kwazielastyczne: • Odwrotny rozpad mionu:

16. Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią Przykład rzeczywistego przypadku mionu z testów detektora w Pavii.

17. Oddziaływanie Wysokoenergetycznych mionów z materią

19. Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią • Jonizacja: • Jonizacja ośrodka – następuje oddzielenie elektronów, w wyniku czego powstają także jony dodatnie. • Elektrony  - Gdy w procesie jonizacji powstaje elektron o energii wystarczającej do dalszej jonizacji ośrodka, elektron ten nazywamy elektronem .

20. Jonizacja i elektrony delta.  - minimalna energia przekazana w oddziaływaniu.

21. Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią • Procesy radiacyjne: • Promieniowanie hamowania – jest to proces wypromieniowywania fotonu. • Bezpośrednia produkcja pary e+ e-.

22. Całkowity przekrój czynny na produkcję pary e+ e- silnie zależy od energii mionu: • Całkowity przekrój czynny na produkcję pary e+ e- zależy jak kwadrat logarytmu od energii mionu.

23. Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią • Produkcja par mionowych.

24. Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią • Nieelastyczne oddziaływanie mionów z jądrami.

25. Średnia strata energii mionów w ciekłym argonie w funkcji energii. „On the use of the LA spectrometer Bars for horizontal muon spectrum measurement.” S.V.Belikov i inni. Protvino 1996. IHEP 96-65.

26. Wpływ różnych procesów do straty energii mionów w ciekłym argonie dla energii mionu E = 10 TeV.

27. Metoda pomiarowa. • Wykorzystując statystyczną metodę największej wiarygodności można uzyskać wzory na energię mionu. • Wariant1: Uwzględnia się jedynie liczbę oddziaływań powyżej zadanego progu. • Wariant2: Uwzględnia się także energię przekazaną w oddziaływaniu. „Theory of the pair meter for high energy muon measurement”. R.P.Kokoulin, A.A.Petrukhin. NIM, A263, 468, 1988. „Pair Meter Technique Measurements of horizontal muon spectrum measurements”S.V.Belikov i inni. Protvino 1996. IHEP 96-65.

28. Detektor ICARUS T600

29. Detektor ICARUS T600 • Detektor oparty na technologii komór projekcji czasowej (TPC). • Materiałem czułym jest ciekły argon (LAr) o łącznej masie około 600 ton. • Powstanie sygnału w detektorze: • W wyniku przejścia cząstki jonizującej przez materiał czuły detektora powstają jony i elektrony. • Pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego elektrony dryfują w kierunku systemu zbierania informacji, który w przypadku ICARUSA T600 jest systemem trzech płaszczyzn drutów • W ciekłym argonie przy przejściu cząstki jonizującej powstaje także światło scyntylacyjne, które rejestrowane jest przez system fotopowielaczy. • Informacje te umożliwiają rekonstrukcję przestrzenną w trzech wymiarach i energetyczną danego przypadku oraz określenie absolutnego czasu zajścia zdarzenia. Koncepcja detektora TPC z zastosowanie ciekłego argonu została przedstawiona w 1977 roku przez C.Rubbie. The Liquid-Argon Time projection Chamber:a new concept for Neutrino Detector,C.Rubbia,CERN-EP /77-08,(1977)

30. ICARUS T600 • Dwa bliźniacze moduły o wymiarach 3.6x3.9x19.9 m^3. • Wewnątrz modułów znajduje się katoda. • System zbierania danych stanowią trzy płaszczyzny drutów. Hala w Gran Sasso (Włochy). Widoczny detektor ICARUS T600

31. Testy detektora w laboratorium naziemnym w Pavii. • Ze względu na testowanie detektora na powierzchni ziemi aby analizować przypadki wysokoenergetycznych mionów konieczne było skoncentrowanie się na przypadkach horyzontalnych. • Selekcja długich torów: • Układ wyzwalania: • Dwie zewnętrzne płyty każda składająca się z czterech płyt scyntylatorów.

32. Testy oprogramowania. • Do wyznaczania energii mionów konieczne jest zatem narzędzie dobrze wyznaczające energię kaskad elektromagnetycznych. • Program Anatra. • Testy: • Sprawdzenie czy Anatra dobrze wyznacza energię – test detektora rozumiany jako przetworzenie informacji z ADC na informację o zdeponowanej energii. • Sprawdzenie czy kąt wprowadzenia kaskady do detektora ma wpływ na mierzoną energię. • Sprawdzenie czy kaskady produkowane przez fotony i elektrony mają różny charakter.

34. Przykładowe histogramy energii wygenerowanych elektronów o energii 100 MeV Przypadek wprowadzony do detektora pod kątem  = 64o  = 116o Przypadek wprowadzony do detektora pod kątem  = 120o  = 180o

35. Testy oprogramowania. • Program Anatra potrafi wyznaczyć energię kaskad elektromagnetycznych. • Brak zależności wyznaczonej energii od : • kąta pod jakim wprowadzamy cząstkę do detektora. • miejsca wprowadzenia cząstki do detektora (założenie cała kaskada wewnątrz detektora) • Podobieństwo kaskad wywołanych przez elektrony i fotony.

36. Procedura pomiarowa wysokoenergetycznych mionów. Pomiar energii tła Pomiar energii kaskady wraz z tłem, którego nie można odseparować.

37. Przypadki MC. Wygenerowane przypadki za pomocą generatora MC – Fluka.: Na bazie wygenerowanych przypadków sprawdzano rekonstrukcje energii wysokoenergetycznych mionów w zależności od zastosowanej wersji metody pomiarowej.

38. Energia mionów 50 GeV. Energia mionów 1000 GeV. Przypadki MC. 1000 GeV 100 GeV

39. Przypadki MC. • Wyznaczona średnia energia dla przypadków o zadanych energiach 50 GeV • <E> = ( 66  10 ) GeV • Dla 1000 GeV • <E> = ( 660  120 ) GeV • Z analizy przypadków MC widać, że fluktuacja energii kaskad ma ogromne znaczenie dla wartości wyznaczanej energii. • Mimo dużych fluktuacji możliwe jest odróżnienie przypadków z grupy o energiach 50 GeV od przypadków z grupy o energiach 1000 GeV.

40. Wyniki. Przypadki z testów detektora w laboratorium naziemnym w Pavii od 11 czerwca 2001 do 31 lipca 2001 we Włoszech. • 40 przypadków wysokoenergetycznych mionów. • Najdłuższy tor mionu przechodził przez 15,27 m detektora. • Średnia długość analizowanych torów wynosiła 8,47 m.

41. Energia mionów – przypadki rzeczywiste. 700 GeV 4000 GeV

42. Wyniki. Przypadki z testów detektora w laboratorium naziemnym w Pavii od 11 czerwca 2001 do 31 lipca 2001 we Włoszech. • Wśród 40 przypadków: • Zaobserwowano jeden tor z 3 wysokoenergetycznymi wtórnymi kaskadami na długości 11,1 m którego energie oszacowano na 3800 GeV. • Zaobserwowano trzy przypadki , dla których wyznaczone energie przekraczają 1000 GeV. • W połowie przypadków oceniono ich energie w granicy 100 – 500 GeV • Dla 12 przypadków oszacowano energię poniżej 100 GeV.

43. Podsumowanie. • Możliwe jest oszacowanie energii wysokoenergetycznych mionów na podstawie analizy ich oddziaływań elektromagnetycznych. • Przedstawione metody umożliwiły pełne odróżnienie przypadków o energiach rzędu GeV od przypadków o energiach TeV. • Przy braku dobrej metody pomiaru energii wysokoenergetycznych mionów ( > 50GeV), przedstawione metody warto rozwijać i udoskonalać.

44. Dziękuję za uwagę.

45. Warszawska Grupa Neutrinowa. • Danuta Kiełczewska, Tadeusz Kozłowski (PII), Piotr Mijakowski, Tomasz Palczewski, Paweł Przewłocki, Ewa Rondio, Joanna Stepaniak, Maria H. Szeptycka, Joanna Zalipska. • UW: Wojciech Dominik, Katarzyna Grzelak, Magdalena Posiadała, Justyna Łagoda. • PW: Leszek Raczyński, Robert Sulej, Krzysztof Zaremba. • http://neutrino.fuw.edu.pl/

47. Pierwotne promieniowanie kosmiczne. • Pierwotne promieniowanie kosmiczne docierające do Ziemskiej atmosfery składa się głównie z: • Protonów około 86 %. • Cząstek  około 13 %. • Elektrony i jądra pierwiastków o liczbie atomowej większej od 3 stanowią około 1 %. __>

48. _Powrót_>>

49. __>

50. Promieniowanie hamowania __>