Misura del flusso di elio nei raggi Misura del flusso di elio nei raggi cosmici con l'esperimento PAMELAcosmici con l'esperimento PAMELA

Candidato:Andrea Cardini

Relatore:Dott. Nicola Mori

Sintesi dei contenuti

● I raggi cosmici

● L'esperimento PAMELA

● Misura del flusso di elio

● Confronto con altre misure in letteratura

● Fit dell'indice spettrale

Raggi cosmiciRaggi cosmici

Storia● I primi effetti dovuti all'esistenza dei raggi

cosmici furono osservati alla fine del XX sec.: la scarica spontanea degli elettroscopi.

Questo indicava l'esistenza di una radiazione fino ad allora inosservata.

● 1912: V.Hess trasporta un elettroscopio in volo durante un eclisse solare, provando che la radiazione scoperta non ha origine solare ed aumenta insieme con l'altitudine.

● 1925: R.Millikan propone per la radiazione il termine “raggi cosmici”.

● 1927: Osservazione dei raggi cosmici con la camera a nebbia di C.Wilson.

Spettro e composizioneI raggi cosmici sono composti da:

• H (~ 86%)

• He (~ 11%)

• (~2%)

• Nuclei più pesanti (~1%)

• Antiprotoni

• Positroni

• Anti-elio?

p̄ / p≃2×10−4

e+/ (e+

+ e−)≃0.05

H̄e/He≾10−7

e−

Propagazione e accelerazione

PAMELA: A Payload for Antimatter-MatterPAMELA: A Payload for Antimatter-MatterExploration and Light-nuclei AstrophysicsExploration and Light-nuclei Astrophysics

Apparato sperimentale

Misure fornite dal ToF:

•Tempo di volo

•Rilascio di energia per ionizzazione

Tempo di volo (ToF)

Il ToF è costituito da:

•6 strati scintillatori Bicron BC-404

•48 fotomoltiplicatori Hamamatsu R5900

Ogni strato è diviso in barre, a ciascuna sono accoppiati 2 scintillatori.

Risoluzione temporale: 250 ps

Misure fornite dal sistema di tracciamento:

•Rigidità magnetica:

•Segno della carica elettrica

•Rilascio di energia per ionizzazione

Spettrometro magneticoLo spettrometro è formato da:

•Un magnete (0.43 T in media nella cavità)

•Il sistema di tracciamento

● Risoluzione spaziale:

3 μm nella vista x, 11 μm nella vista y

● , MDR=1.2 TVΔρ/ρ∝ρ

ρ=p c /Z e

Misura del flusso di elioMisura del flusso di elio● Preselezione degli eventi

● Calibrazione dei tagli di selezione di carica col

tracciatore

● Misura dell'efficienza di selezione

● Valutazione delle contaminazioni residue

● Tempo vivo e fattore geometrico

● Fattori aggiuntivi e convoluzione

● Stima del flusso

Preselezioni● Qualità dei dati

•Eliminazione dei dati affetti da errori strumentali● Selezioni di base sul sistema di tracciamento

•Presenza di una sola traccia nello spettrometro

•Valore del χ2 accettabile

•Almeno 4 punti associati alla traccia nella vista x e 3 nella vista y

•Traccia contenuta entro un'accettanza fiduciale● Particelle di origine galattica

● Selezioni di base sul ToF

•Un solo rilascio in ognuno degli strati dei piani S1 ed S2

•β > 0

Rilascio di energia per ionizzazione

−dEdx

=KZm

Am

Z2

β2 [1

2ln( 2mec

2 γ2β2T max

I 2 )−β2−

δ(β γ)

2 ]Formula di Bethe-Bloch:

Per la curva di Bethe-Bloch presenta un minimo: a questo valore di si dice che la particella è al minimo di ionizzazione.

Distribuzione di Landau:

γ∼3γ

Calibrazione dei tagli di selezionef (x)=A+

1B+ C x

1 MIP è l'energia media rilasciata da una particella con |Z|=1 al minimo di ionizzazione.

Selezione del campione di efficienza

Misura dell'efficienza di selezione

ε=N sel

N presel

Contaminazioni residue

Stima della contaminazione nel campione di flusso

• Selezione di un campione di non-elio con I piani del

Tof

• Misura dell'efficienza della selezione di carica del

sistema di tracciamento su questo campione

• Efficienza misurata:

• Dato che l'elio costituisce il 10% circa dei raggi

cosmici si ha una contaminazione residua del ‰

ε∼10−4

Il flussoIl flusso è definito dalla formula:

Sperimentalmente si usa la forma discretizzata:

Φ=∂

4 N∂ t ∂ρ∂Ω∂ S

Φi=N sel i

εiLT Δρi GFi

Dove:

• indice del bin di rigidità

• numero di particelle selezionate

• efficienza di selezione

• tempo vivo

• fattore geometrico

• larghezza del bin di rigidità

ε

Δρ

iN sel

LTGF

Tempo vivo e fattore geometrico● Tempo vivo (LT)

• Rappresenta il tempo in cui l'apparato sperimentale è sensibile al passaggio di una particella.

• Durante il tempo di raccolta dati (tempo morto) l'apparato non può registrare il passaggio di altre particelle.

• Tiene conto della rigidità minima necessaria ad una particella per raggiungere la regione dove si trova il satellite.

● Fattore geometrico (GF) 14.4 cm≃ 2 sr

• Per un rivelatore ideale è definito dalla formula:

Dove:

● è il tasso di conteggio●

C=GF I 0

I 0=∫Φ dρ

C

Fattori aggiuntivi e convoluzioneEfficienza del sistema di tracciamento

• Varia tra nel periodo iniziale di raccolta dati e in quello finale

Efficienza del ToF

• Varia in funzione della rigidità e debolmente in funzione del tempo ma presenta un valore medio di

Correzione per le interazioni dei primari al di sopra dell'apparato

• Possibili interazioni:

● Scattering elastico● Frammentazione dei nuclei

Convoluzione

• Effetto di rallentamento a basse rigidità

• Limitata precisione nella misura della rigidità

⇒ Effetto netto di migrazione degli eventi verso regioni a rigidità più elevate.

εTrkBasic≃0.83εTrkBasic≃0.25

εToF∼0.8

C int≃0.88

Flusso di elio nei raggi cosmiciρ

2 .7

Funzione di fit:

Intervallo di rigidità: 30-100 GV

Risultati del fit:

f (ρ)=Φ0 ρ−γ

Φ0=(2.8±1.1)×103(m2 sr s GV )

−1

γ=2.71±0.10

Fit dell'indice spettraleFit dell'indice spettraleρ

2 .7

Grazie perGrazie perl'attenzionel'attenzione

Grafici e immaginiGrafici e immagini

Tempo vivo (s)

C int

Fattore correttivo per interazioni dei primari

al di sopra dell'apparato

Fattore correttivo all'efficienza del sistema di tracciamento

CTrkEff