1

www.centrofermi.it/eee/

Il Progetto EEE (Extreme Energy Events):

un progetto innovativo per le scuole. Stato e prospettiveG. Sartorelli

E. Bressan

2GPS

m

GPGPS

mm

Finalità Scientifica

Rivelare e studiare sciamiprodotti da raggi cosmici diestrema energia attraversola rivelazione a terra deimuoni dello sciameutilizzando un array estesodi telescopi dotati di GPSper la sincronizzazionetemporale

Finalità di Educazione Scientifica

Studenti delle scuole MedieSecondarie di tuttaItalia sono chiamati apartecipare attivamentealla:

Costruzione del propriorivelatore;

Installazione e messa infunzione e monitoraggioquotidiano dell’apparato;

Analisi dati raccolti.

Fase iniziale sette città pilota

GPSmGPGPS

mm

GPSmGPGPS

mm

GPSmGPGPS

mm

GPSmGPGPS

mm

GPSmGPGPS

mm

GPSmGPGPS

mmGPSmGPGPS

mm

Il Progetto EEE: la struttura

3

1. Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “Enrico Fermi”

2. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)

3. Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV)

4. Fondazione e Centro di Cultura Scientifica “Ettore Majorana” (EMFCSC)

5. Centro Europeo di Ricerche in Fisica Nucleare e Subnucleare (CERN)

6. Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)

7. Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR)

8. World Laboratory (WORLDLAB)

Gli istituti finanziatori

4

Il Progetto EEE: la fisica e la

struttura dell’esperimento

5

Lo spettro dei raggi cosmici è ben conosciuto e compreso a basse energie, mentre la determinazione di punti sperimentali ad alta ed altissima energia (E >1018 eV) è ancora in corso.

• Spettro piatto alle basse energie (E<1018 eV)– “Ginocchio” a 1015eV– Sorgenti galattiche

• Cambiamento di pendenza per le alte energie (E>1018 eV)– GZK cutoff– Sorgenti extragalattiche

• Mancano informazioni dettagliate sull’esistenza, sulle sorgenti e sul modello di propagazione dei raggi cosmici primari

La fisica dell’esperimento

6

Perché utilizzare un array esteso di rivelatori Dato il bassissimo flusso, occorre:

– Una grande superficie sensibile, S

– Una grande accettanza per avere una grande statistica

– Un grande tempo di esposizione T

7

Array di telescopi di MRPC

su tutta la superficie italiana

a. Rivelazione di raggi cosmici di energia

estrema

b. Identificazione di zone privilegiate di

arrivo

c. Studio su piccola (singola città) e grande

scala (città diverse) di sciami

d. Ricerca di coincidenze tra particelle dello

stesso sciame e tra sciami distanti grazie

alla sincronizzazione dei telescopi tramite

un sistema GPS (assegnazione di un

tempo assoluto ad ogni evento)

4

19 città coinvolte nel Progetto con 35 telescopi installati

La struttura dell’esperimento

8

• Costruiti al CERN dal 2005 al 2009.

• Una scuola ogni settimana: 1 docente e 5-6 studenti sotto la supervisione di personale ricercatore.

• 1 telescopio costruito in ogni stage

• Ogni telescopio è stato trasportato presso la sezione INFN di riferimento per i test di funzionamento.

Costruzione dei rivelatori

9

Il rivelatore del Progetto EEE: MRPC

gas gaps 300 μm

cathode (resistive layer –

HV)

vetronite panel

vetronite panel

mylar

mylar

15 mm honeycomb

15 mm honeycomb

glass plates

(1.1mm)

readout strips

anode(resistive

layer +HV)

readout strips

GAS miscela di C2H2F4 + SF6 (98% + 2%) flusso 1.5 l/h

ALIMENTAZIONE ~ 20 kV

AREA SENSIBILE (160 x 82) cm2

10

Il rivelatore: alcuni dettagli (1)

Gas system

24 strip: (160 x 2.5) cm

Gas gap di 300 mm tra i vetri

Front End Card

HV system: 10 kV

tramite DC/DC converter

11

USB connection

to PC

Il rivelatore: alcuni dettagli (2)x Determinazione del punto di impatto

della particella in ogni piano sensibile

Ricostruzione della traccia

y

VME crate

CAEN

Mod.8010from FEA cards

VME Bridge

CAEN Mod.

V1718Trigger unit GPS Unit

TDCs

GPS

Interface

Telescopi distanti sono sincronizzati con un modulo GPS

che fornisce il tempo UTC di ogni evento rivelato.

12

Test dei rivelatoriRisoluzione spaziale

dx = 0,7 cm

EFFICIENZA: scelta della miscela

EFFICIENZA: scelta della tensione di lavoro

dy = 2,1 cm

DTteorico – DTmisurato(ns)

Tutte le MRPC funzionano correttamente

e soddisfano i requisiti dell’esperimento

13

Simulazione Monte Carlo:

studio delle performance del

telescopio

14

Sono stati generati 107 muoni campionando per ognuno di questi una direzione di arrivo

uniformemente nell'emisfero superiore che circonda il telescopio al fine di:

Prestazioni del singolo telescopio

A = 0.35 m2sr

valutare l’accettanza

di rivelazione del telescopio

valutare la risoluzione angolare

del telescopio

dθ < 1°

dφ ≈ 2°

15

Simulazione Monte Carlo:

studio di griglie di telescopi

16

1- Generazione degli sciami

2-Generazione del core dello sciame

3-Conteggio dei muoni rivelati

4-Stima dell’accettanza

5-Stima del numero di eventi

INFN

Liceo Sabin

Liceo Galvani

Liceo Fermi

~ 1000 m

~ 2200 m

~ 2300 m

~ 1600 m

L’accettanza è definita come

A=S*(Nrivelati/Ngenerati)

S= Area di campionamento

max

min

)(

E

E

EV AdETEN

Simulazione completa della risposta della griglia di

rivelazione

17

Definizione della geometria della griglia di rivelatori

Simulazione del punto di impatto dell'asse dello sciame a terra

Simulazione dei punti di impatto e delle direzioni dei muoni a terra

Ricerca delle coincidenze in più di un telescopio

Core

Telescopio

Obiettivo:

Velocizzare il processo di simulazione rispetto a quella completa e disporre di un valido

strumento per studiare le prestazioni di varie configurazioni di griglie.

Simulazione con parametrizzazione della risposta della

griglia di rivelazione

18

Griglie in esame: Bologna e L’Aquila

BOLOGNA

Liceo 2

(100,0)Liceo 1

(-100,0)

200 m

L’AQUILA

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400

x (m)

2678 m 700 m

19

Risultati: griglia di Bologna

Valori consistenti con quelli ottenuti con la simulazione completa

20

Risultati: griglia de L’Aquila

Valori consistenti con quelli ottenuti con

la simulazione completa

( )( )

21

Analisi dati

22

Dopo alcuni run di test tra la fine del 2008 e

l’inizio del 2009 è iniziata la fase di presa dati

in continua.

Situazione attualeSiti sperimentali in Emilia Romagna

INFN

Liceo Sabin

Liceo GalvaniLiceo Fermi

~ 1000 m

~ 2200 m

~ 2300 m

~ 1600 m

23

I set di dati analizzati

2009

2010

24

L'analisi effettuata prevede la ricerca delle coincidenze di muoni in telescopi diversi la cui

differenza di tempi UTC, Tev, sia minore di una determinata quantità Tcoinc:

Ricerca di coincidenze in 2 telescopi (1)

La finestra temporale è stata determinata valutando la

massima differenza di tempo di arrivo al livello del mare

di muoni appartenenti allo stesso sciame.

Considerando la distanza media tra i telescopi a Bologna

Tcoinc è stata fissata a 10 ms.

INFN-GALVANI 2009 INFN-GALVANI 2010

25

I risultati mostrano che il numero di coincidenze osservate è compatibile con il numero di

coincidenze accidentali attese.

Ricerca di coincidenze in 2 telescopi (2)INFN-GALVANI 2009 INFN-GALVANI 2010

Quanto misurato è in accordo con quanto previsto dalla simulazione: la distanza tra i telescopi

presenti a Bologna è tale da permettere la selezione di raggi cosmici primari di alta energia

(E > 1016 eV) il cui flusso è però basso (10-13 cm-2 s-1 sr-1) (300 eventi all’anno attesi)

26

• Parallelismo delle tracce

ricostruite nei due telescopi:

sono stati selezionati solo gli

eventi in cui le tracce

ricostruite formano un angolo

minore di 10°.

• Eventi multi-traccia:

sono stati selezionati solo gli

eventi in cui più di un muone

è rivelato in almeno un

telescopio.

I risultati indicano che pur

avendo ridotto il fondo

dovuto alle coincidenze

accidentali, non si ha

evidenza di segnali dovuti a

muoni appartenenti allo

stesso sciame.Risultati analoghi per la coincidenza INFN-FERMI

Criteri di selezione (1)

INFN-GALVANI 2009

27

Avendo a disposizione periodi di presa dati con i 3 telescopi dell’area di Bologna abbiamo

ricercato le coincidenze triple.

Criteri di selezione (2)

Riduzione di un fattore 103 del fondo dovuto a coincidenze accidentali

Non si ha evidenza di coincidenze riconducibili a muoni appartenenti allo stesso sciame

I Periodo II Periodo

28

Aggiornamento Bologna 2011

Coincidenze attese 159900

Coincidenze trovate 156840

Tempo vivo 3940 h

29

Risultati de L’AquilaL'analisi ha evidenziato un rate di coincidenze di circa 7.6 eventi/ora.

Quanto osservato è ancora una volta in buon accordo con le previsioni fatte con la simulazione

Monte Carlo: il rate di eventi attesi in telescopi posizionati a 200 metri di distanza è di circa 4

eventi/ora.

Criterio di selezione:

Eventi multi-traccia

Criterio di selezione:

Tracce parallele

30

Il Progetto EEE a Bologna:

attività nelle scuole

31

1. Preparazione al turno di costruzione delle MRPC: prima della partenza per Ginevraabbiamo svolto incontri di formazione con studenti e professori;

2. Approfondimento delle tematiche relative al Progetto EEE: sono stati organizzatialcuni incontri in ciascuna scuola per approfondire il tema dei raggi cosmici ma anchedei rivelatori di particelle, con particolare attenzione alle MRPC del Progetto EEE;

3. Formazione di studenti e professori: terminata l’installazione dei telescopi nelle scuoleabbiamo organizzato incontri formativi concernenti le fasi operative di monitoraggiodel telescopio.

RISULTATO:

ABBIAMO ACQUISITO DATI CONTINUATIVAMENTE PER UN LUNGOPERIODO;

4. Annualmente proponiamo attività della durata di qualche mese finalizzate allarealizzazione di misure di carattere locale:

• Misura della risoluzione spaziale del rivelatore

• Flusso di muoni e condizioni ambientali

• Sviluppo di event-display

Nelle scuole

32

Work in progress

Per migliorare le prestazioni dell’array ed essere in grado di rivelare coincidenze

anche a distanze elevate, sono sotto esame altre configurazioni:

1. Posizionare nella stessa stazione sperimentale, scuola o sezione INFN, più

telescopi in modo da aumentare la regione sensibile e l’accettanza di ogni sito

(configurazione attualmente sotto simulazione).

2. Dotare ogni stazione esistenze di un altro rivelatore (anche scintillatore) in modo

da fornire un pre-trigger e schermare dalle coincidenze occasionali.

3. Infittire la rete di telescopi su tutto il territorio italiano in maniera modulare.

33

Costruzione e test di rivelatori d’avanguardia da usare su grande scala

Simulazione Monte Carlo:

• valutazione dell’accettanza di rivelazione e del flusso di eventi attesi in diverse griglie

• determinazione della soglia in energia dei raggi cosmici primari rivelabili in ogni

configurazione studiata (E > 1017 eV)

Analisi dati:

• Bologna: i risultati ottenuti sono consistenti con la rivelazione di coincidenze accidentali e, pur

riducendo il fondo selezionando opportunamente gli eventi, non si ha evidenza di segnale fisico

poichè la distanza attuale tra i telescopi è tale da selezionare eventi di alta energia il cui flusso è

però basso.

• L'Aquila: si evidenzia la presenza di coincidenze con un flusso di 8 ev/ora in buon accordo con

quanto previsto dalla simulazione (4 ev/ora).

Attività con i ragazzi dal 2005:

La fase di costruzione e messa in funzione dei detector, oltre aver dimostrato alto interesse e alta

efficienza lavorativa, ha permesso di ottenere rivelatori che soddisfano a pieno i requisiti richiesti

dall’esperimento.

Il controllo quotidiano degli studenti e la supervisione costante dei ricercatori ha permesso di

mantenere i rivelatori in funzione e in acquisizione dati per periodi molto lunghi.

La definizione di un programma a step per introdurre gli studenti all’analisi dati permette sia di

eseguire misure di fisica a carattere locale (efficienza di rivelazione, rate vs distanza, pressione

vs rate, effetto Furbush etc) sia la ricerca di coincidenze tra telescopi distanti.

Conclusioni

34

Misura locale: effetto Furbush feb2011

@Bologna

@Catania

Pressure

Rate

Corrected rate

Observation of the February 2011 Forbush decrease

by the EEE telescopes Eur. Phys. J. Plus (2011) 126: 61

35

Back-up

36

Le tracce ricostruite: singolo hit

37

Le tracce ricostruite: singolo cluster

38

Le tracce ricostruite: multihit

Work in progress

39

Le tracce ricostruite: selezione sui multihit

Work in progress

40

Il flusso di particelle caricheche incide su una superficie

orizzontale al livello del mare è ~ 200 particelle/(m2 s).

• Sommità dell’atmosferacomponente primariaprotoni (~ 92%)nuclei elio (~ 6%)nuclei più pesanti (~ 1%)elettroni (~ 1%)raggi gamma (~ 0.1%)

• Interazioni tra primarioe molecole dell’atmosfera componente secondaria

elettroni, neutrini, pioni, kaoni e muoni …

I Raggi Cosmici: composizione

41

Main goals

• Studiare la fisica dei Raggi Cosmici di altissima energia attraverso un array di telescopi su tutto il territorio italiano.

• Portare la scienza nel cuore dei giovanitramite il coinvolgimento diretto di

studenti in tutte le fasi dell’esperimento

Il Progetto EEE

42

Il Progetto EEE intende studiare la regione di

più alta energia

Flusso abbondante

Eventi rari1 evento all’anno per km2

NB: se ne volessimo rivelare 100abbiamo 2 possibilità:1-costruire un rivelatore di 1 km2

e aspettare 100 anni2-costruire un rivelatore di 100km2 e aspettare 1 anno

La fisica dell’esperimento

43

asse

fronte dello sciame

curvatura

core

atmosfera

Griglia di rivelatori

Dato il bassissimo flusso, occorre:

– Una grande superficie sensibile, S

– Una grande accettanza per avere una grande

statistica

– Un grande tempo di esposizione T

S

Il flusso di primari con energia Eo>1019 eV è circa:

1 particella per km2-sr-anno

La fisica dell’esperimento

44

• Necessità di costruire un array esteso

• Grande numero di telescopi

• Costo ragionevole

• Funzionalità a lungo termine

• Alta efficienza

• Ricostruzione della direzione dei muoni

• Buona risoluzione temporale

La scelta è un telescopio costituito da 3 piani di MRPC di 80160 cm2 di area sensibile

I requisiti del rivelatore

m

45

105 rivelatori in 19 città.

46

Simulazione Monte Carlo degli

sciami estesi

47

Caratteristiche di muoni con E =1018 eV Distribuzione x-y

Distribuzione dei tempi di arrivo

Time of arrival (ns) Φ(deg)

θ(deg)

Distribuzione angolo zenithale

Distribuzione angolo azimuthale

Per valutare le prestazioni delle griglie di telescopi, sono state studiate le caratteristiche degli

sciami estesi generati da raggi cosmici primari, tramite il codice di simulazione COSMOS.

Sono stati generati sciami estesi iniziati da protoni primari in un intervallo di energia compreso

tra 1014 eV e 1019 eV (con passo di 100.1 eV).

48

Distribuzione dell’energia media

dei muoni (Em) in funzione della

distanza dall’asse dello sciame

Distribuzione del numero medio di muoni

(Nm) a terra in funzione dell’energia del

raggio cosmico primario

(Nm)

Utilizzando gli sciami estesi prodotti da

protoni abbiamo costruito la distribuzione

della densità media dei muoni a terra in

funzione della distanza dall'asse dello

sciame suddividendo l’area a terra in

corone circolari larghe 100 metri.

49

Obiettivo:

Velocizzare il processo di simulazione rispetto a quella completa e disporre di un

valido strumento per studiare le prestazioni di varie configurazioni di griglie.

Procedura:

FASE 1 - costruzione, per ogni energia del primario, di tabelle contenenti le caratteristiche dei

primari e quelle dei muoni quali:

la distribuzione laterale dei muoni a terra;

le distribuzioni degli angoli zenitali e azimutali dei muoni al variare della distanza

dall'asse dello sciame.

FASE 2 - impostazione dei parametri necessari alla simulazione:

il numero e le posizioni dei rivelatori;

l'energia del primario incidente, variabile tra 1014 eV a 1019 eV;

il numero di primari da generare;

le dimensioni reali dei rivelatori.

FASE 3 - generazione e analisi dei risultati.

Simulazione con parametrizzazione della risposta della

griglia di rivelazione