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.

Plan Seminarium Detektor ICARUS T600. Testów oprogramowania. 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.

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.

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

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.

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 …

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.

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

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 %

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.

Rozpraszanie głęboko nieelastyczne:

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

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

Rozpraszanie kwazielastyczne: Odwrotny rozpad mionu:

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

Oddziaływanie Wysokoenergetycznych mionów z materią

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 .

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

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

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.

Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią Produkcja par mionowych.

Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią Nieelastyczne oddziaływanie mionów z jądrami.

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.

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

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.

Detektor ICARUS T600

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)

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

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.

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.

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

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.

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

Przypadki MC. Wygenerowane przypadki za pomocą generatora MC – Fluka.: Liczba Przypadków Zadana Energia [ GeV] 10 50 20 100 500 1000 Na bazie wygenerowanych przypadków sprawdzano rekonstrukcje energii wysokoenergetycznych mionów w zależności od zastosowanej wersji metody pomiarowej.

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

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 przypadków wysokoenergetycznych mionów. 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.

Energia mionów – przypadki rzeczywiste. 4000 GeV 700 GeV

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.

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.

Dziękuję za uwagę.

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/

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 %. __>

_Powrót_>>

__>

Promieniowanie hamowania __>

Produkcja par e+ e- __>

Procesy jądrowe __>

Ciekły Argon. „Badanie oddziaływań neutrin za pomocą komory TPC wypełnionej ciekłym argonem” Justyna Łagoda. 21.10.2005. __>

„Badanie oddziaływań neutrin za pomocą komory TPC wypełnionej ciekłym argonem” Justyna Łagoda. 21.10.2005. __>