Badanie Wysokoenergetycznych mionów kosmicznych w detektorze

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






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:
__

   e   e  
__



  e  e  
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 %

K
• K

  
• K 
0
L
0

  (  )



__
  (  )
3.2 %
__
  (  )
27 %
Rozpady Kaonów prowadzące pośrednio do powstawania mionów. W wyniku
rozpadu powstaje naładowany pion, który następnie rozpada się na mion.
Procesy:


• K

        
• K

     0  
• K


0
0
0

   __
• KS  
0

 e     e ( e )
• KL  
0

   0
• KL  
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:

  N    X

Rozpraszanie głęboko nieelastyczne:
  N    X


Rozpraszanie przy dużych energiach i przekazach pędu,
możliwe są różne hadronowe stany końcowe.

Rozpraszanie głęboko nieelastyczne:


  N    X
Procesy rezonansowe, zdominowane głównie przez
produkcję :





n
(
p
)




(

)


1.

Gdzie:
  n   
   p   

__

2.


 p ( n)     0 (  )
Gdzie:
0  p   
  n   

Rozpraszanie kwazielastyczne:

  n  p  
__
  p n




Odwrotny rozpad mionu:

   e  e   
__


e
__

 e 

 
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
o
o
pod kątem  = 64  = 116
Przypadek wprowadzony do detektora
o
o
pod kątem  = 120  = 180
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
10
500
20
1000
Na bazie wygenerowanych przypadków sprawdzano
rekonstrukcje energii wysokoenergetycznych mionów
w zależności od zastosowanej wersji metody
pomiarowej.
Energia mionów 50 GeV.
Przypadki
MC.
Energia mionów 1000 GeV.
100 GeV
1000 GeV
Przypadki MC.

Wyznaczona średnia energia dla przypadków o
zadanych energiach 50 GeV


Dla 1000 GeV



<E> = ( 66  10 ) 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.
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.
__>