Detektor promieniowania kosmicznego

Transkrypt

1 Detektor promieniowania kosmicznego Kamil Chłopek i Adrian Chochuł Opiekun projektu: dr hab. Krzysztof Woźniak poszukiwanie optymalnej konstrukcji

2 Spis Treści 1. Wprowadzenie do tematyki 2. Projekty CREDO i HiSPARC 3. Detektory 4. Porównanie detektorów 5. Wnioski i podsumowanie

3 Wprowadzenie Fizyka promieniowania kosmicznego narodziła się na początku XX wieku. Promieniowanie kosmiczne odkrył w 1912 roku Victor Hess, za co w 1936r otrzymał nagrodę Nobla. Victor Hess badał poziom jonizacji powietrza w zależność od wysokości (Badania wykonywał m.in. Przy pomocy balonu). Najwięcej odkryć w tej dziedzinie dokonano w latach , kiedy to odkryto wiele cząstek elementarnych takich jak: pozyton, hiperony, mezony i K, mion, itd. W pierwszej połowie XXw promieniowanie kosmiczne stanowiło praktycznie jedyne źródło wysokoenergetycznych cząstek. Dzięki promieniowaniu kosmicznemu możliwe jest badanie zjawisk przy energiach, jakich nie dałoby się osiągnąć w laboratoriach zbudowanych przez człowieka. Victor Hess po wylądowaniu swoim balonem w 1912

4 O promieniowaniu kosmicznym Promieniowanie kosmiczne, to cząstki bardzo dużych energiach, lecące po liniach prostych z dużymi prędkościami ku Ziemi z przestrzeni międzygwiezdnych. Promieniowanie kosmiczne, dzieli się na pierwotne i wtórne Pierwotne promieniowanie kosmiczne, to głównie protony, cząstki alfa i jądra cięższych pierwiastków Wtórne promieniowanie kosmiczne, powstaje w wyniku oddziaływania pierwotnego promieniowania kosmicznego z atomami atmosfery ziemskiej Głównymi źródłami promieniowania kosmicznego są: Słońce, centra galaktyk, otoczki gwiazd supernowych (np. mgławice planetarne) oraz obiekty pozagalaktyczne Na promieniowanie kosmiczne składa składają się głównie: Średnia energia cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego jest rzędu 10 GeV, nas interesuję ta część promieniowania, która ma energię rzędu GeV Pierwotne i wtórne promieniowanie kosmiczne

5 Detekcja promieniowania kosmicznego Licznik scyntylacyjny Jest to detektor promieniowania, zbudowany ze scyntylatora, fotokatody i fotopowielacza Cząstka promieniowania docierając do płytki scyntylacyjnej powoduje błyski światła z zakresu widzialnego Światło to padając na fotokatodę zostaje zaabsorbowane wybijając z niej fotoelektrony, które dalej powielane są na dynodach w fotopowielaczu Dobierając materiał scyntylatora uzyskuje się licznik czuły na różne rodzaje promieniowania jonizującego lub na neutrony, czy neutrina. Wielodrutowa komora proporcjonalna Służy m.in. do rekonstrukcji trajektorii cząstki. Po umieszczeniu komory w polu magnetycznym można zmierzyć nawet jej pęd. Komory te zbudowane są z dwóch metalowych siatek stanowiących płaszczyzny katodowe, między którymi umieszczona jest płaszczyzna anodowa, na którą składają się równoległe cienkie druty oddalone od siebie o ok. 2mm Cząstka wchodząca do komory jonizuje lokalnie gaz roboczy, a elektrony wychwytywane są przez najbliższe druty anodowe. Analiza sygnałów z poszczególnych drutów anodowych pozwala określić położenie cząstki x w danej chwili czasu.

6 Projekt Celem międzynarodowej współpracy CREDO (Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory) jest wykonanie zbiorczej analizy danych dotyczących promieniowania kosmicznego, rejestrowanych przez detektory działające dotąd niezależnie. Analiza obejmuje dostępne dane w pełnym zakresie widma energii. Zostaną wykorzystane możliwości zarówno dużych obserwatoriów (np. Obserwatorium Pierre Auger) jak i sieci detektorów edukacyjnych (np. HiSPARC) oraz sieci smartfonów wyposażonych w aplikacje umożliwiające rejestrację cząstek (np. DECO). Efektem prowadzonych prac będzie przede wszystkim wyznaczenie widma energii promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii oraz ich składu masowego, a także rozkładu kierunków ich przylotu do Ziemi. Wyniki te umożliwią testowanie modeli pochodzenia promieni kosmicznych i prawdopodobnie wyjaśnienie pochodzenia cząstek o skrajnie wysokich energiach. Rozważne są następujące klasy promieniowania kosmicznego:

7 Projekt HiSPARC Jednym z projektów, który może być wykorzystany przy eksperymencie CREDO jest projekt HiSPARC (High School Project on Astrophysics Research with Cosmics) Jest to Szkolny Projekt Badań Zjawisk Astrofizycznych w Kosmosie Projekt został zainicjowany w 2002r przez fizyków z uniwersytetu w Nijmegen w Holandii. W projekcie bierze udział kilkadziesiąt detektorów scyntylacyjnych zlokalizowanych w Holandii, Belgii, Wielkiej Brytanii i Danii W marcu 2005r. zespół detektorów HiSPARC zarejestrował zdarzenie o energii ev w wysokoenergetycznym obszarze spektrum promieniowania kosmicznego

8 O naszym projekcie Analizowaliśmy typ A: czyli założyliśmy, że promienie kosmiczne docierają do ziemi w postaci równoległych wiązek w podobnym czasie Napisaliśmy program symulujący strumień cząstek docierających do powierzchni ziemi (płaszczyzny XY) pod kątem θ i ф. Założyliśmy, że strumień cząstek jest ma przekrój kołowy o promieniu R Pierwszy detektor znajduje się w płaszczyźnie XY Dodaliśmy drugi detektor równoległy do pierwszego znajdujący się na wysokości Z>0 Dzięki rozważeniu różnych kształtów detektorów, odległości między nimi ustaliliśmy jaki układ detektorów jest najbardziej optymalny Następne slajdy przedstawiają rozważane konfiguracje detektorów Przejście do układu sferycznego r = x 2 + y 2 + z 2 = 1 normalizacja θ = arcsin z = arcsin z r Ф = arctan y x

9 Dwa detektory kwadratowe W tym przypadku rozważamy dwa detektory kwadratowe oddalone od siebie na d = 1m, o polu 1m 2 każdy. Dla jednorodnego strumienia cząstek prawdopodobieństwo trafienia cząstki w oba detektory jednocześnie określa się wzorem P = (L d sinφ tgθ d cosφ ) (L tgθ ) 1 πr 2 sinθ

10 Dwa detektory kwadratowe - wykres Animacja dla θ=60st, φ < 0; 360st >

11 Dwa identyczne detektory kołowe W tym przypadku rozważamy dwa detektory kołowe oddalone od siebie na d = 1m, o polu 1m 2 każdy. Dla jednorodnego strumienia cząstek prawdopodobieństwo trafienia cząstki w oba detektory jednocześnie określa się wzorem P = 2 arccos d 2rtgθ 1 tgθ 1 r 2tg 2 θ πr 2 sinθ

12 Dwa detektory kołowe - wykres Animacja dla θ=60st, φ < 0; 360st >

13 Dwa różne detektory kołowe W tym przypadku rozważamy dwa detektory kołowe oddalone od siebie na d = 5cm, gdzie suma pól wynosi 2m 2. Dolny detektor ma promień dwa razy mniejszy od górnego. Dla jednorodnego strumienia cząstek prawdopodobieństwo trafienia cząstki w oba detektory jednocześnie określa się wzorem P = πr 1 2 R 2 sinθ dla d tgθ r 2 r 1 P = 0,5 r 2 2 sin +0,5 r 1 2 β sinβ R 2 sinθ L = arccos r 1 d tgθ 2r , β = arccos r 2 dla d tgθ > r 2 r 1, gdzie: d tgθ 2r

14 Dwa różne detektory kołowe - wykres θ=60st

15 Detektory Kwadratowe Detektory Kołowe (Jednakowe) Detektory Kołowe (różne) Porównanie detektorów

16 Podsumowanie Napisany przez nas program umożliwił nam obliczenie prawdopodobieństwa wykrycia cząstki przez detektory o różnych kształtach Zależności, które otrzymaliśmy na wykresach pozwalają na porównanie typów detektorów Lepiej prezentują się detektory kołowe ze względu na brak zależności od kąta azymutalnego Ciekawostka 30 i 31 sierpnia w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN odbędzie się konferencja naukowa poświęcona projektowi CREDO Plakat dotyczący konferencji dotyczącej CREDO, która odbędzie się 30 i 31 Sierpnia 2017 w IFJ PAN w Krakowie

17 Bibliografia The acceptance of the HiSPARC experiment, N.G. Schultheiss The field of view of a scintillator pair for cosmic rays, N.G. Schultheiss An extended Heitler-Matthews model for the full hadronic cascade in cosmic air showers, J.M.C. Montanus Intermediate models for longitudinal profiles of cosmic showers, J.M.C. Montanus Fluorescence for high school students, N.G. Schultheiss & T.W. Kool The HiSPARC Control System, R.G.K. Hart et al. Cosmic rays studied with a hybrid high school detector array, A. Nigl et al

18 Opiekun projektu: dr hab. Krzysztof Woźniak