Badanie wysokoenergetycznych mionów kosmicznych w detektorze ICARUS.

Transkrypt

1 Badanie wysokoenergetycznych mionów kosmicznych w detektorze ICARUS. Tomasz Palczewski Promotor: Prof. dr hab. Joanna Stepaniak. Warszawska Grupa Neutrinowa. Seminarium Doktoranckie IPJ 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 γ Obserwujemy dwa rejony przejściowe: tzw. kolano oraz kostka. Gdyby promieniowanie o ultrawysokich energiach pochodziłyby z Wszechświata obserwowałoby się spadek jego natężenia przy energii 6*10 6 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: µ e + + ν + + e µ e + ν + e ν µ ν µ Średni czas życia mionu wynosi 2.2 * 10-6 s. Masa mionu wynosi 105,6 MeV/c 2 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 π. Z rozpadów naładowanych π powstają miony: π + µ + + π µ + ν ν µ µ

9 Rozpady Kaonów prowadzące bezpośrednio do powstawania mionów. Proces: stosunek rozgałęzień: % K µ +ν ( µ ν µ ) K π + µ + ν µ ν µ ) 3.2 % 0 K L ( + + π + µ + ν µ ν 27 % Rozpady Kaonów prowadzące pośrednio do powstawania mionów. W wyniku rozpadu powstaje naładowany pion, który następnie rozpada się na mion. Procesy: stosunek rozgałęzień: K π + π 21.2 % K π + π + π 5.6 % K π + π + π 1.73 % π 0 + K S % K ( L π + e + ν e ν e ) 38.6 % % K L ( π µ π + π + ) π

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: ν µ + N µ + X Rozpraszanie przy dużych energiach i przekazach pędu, możliwe są różne hadronowe stany końcowe.

12 Rozpraszanie głęboko nieelastyczne: Procesy rezonansowe, zdominowane głównie przez produkcję : 1. Gdzie: 2. Gdzie: ) ( ) ( µ ν µ p n ) ( ) ( µ µ ν n p X N + + µ ν µ π n π p + π p 0 + π n

13 Rozpraszanie kwazielastyczne: ν µ + n p + µ ν µ + p n + µ + Odwrotny rozpad mionu: ν µ + e ν e + µ ν e + e + µ µ ν

14

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

16 Oddziaływanie Wysokoenergetycznych mionów z materią

17

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

19 Jonizacja i elektrony delta. ε - minimalna energia przekazana w oddziaływaniu.

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

21 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.

22 Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią Produkcja par mionowych.

23 Oddziaływanie wysokoenergetycznych mionów z materią Nieelastyczne oddziaływanie mionów z jądrami.

24 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 IHEP

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

26 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, Pair Meter Technique Measurements of horizontal muon spectrum measurements S.V.Belikov i inni. Protvino IHEP

27 Detektor ICARUS T600

28 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)

29 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

30 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.

31 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.

32

33 Przykładowe histogramy energii wygenerowanych elektronów o energii 100 MeV Przypadek wprowadzony do detektora pod kątem ϕ = 64 o θ = 116 o Przypadek wprowadzony do detektora pod kątem ϕ = 120 o θ = 180 o

34 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.

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

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

37 Przypadki Energia mionówmc. 50 GeV. Energia mionów 1000 GeV. 100 GeV 1000 GeV

38 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.

39 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.

40 Energia mionów przypadki rzeczywiste GeV 700 GeV

41 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 GeV Dla 12 przypadków oszacowano energię poniżej 100 GeV.

42 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.

43 Dziękuję za uwagę.

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

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