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 = Eγγγγ

� 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 sięprowadziło 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 sięspontanicznie:

�

�

� Średni czas życia mionu wynosi 2.2 * 10-6 s.

� Masa mionu wynosi 105,6 MeV/c2

__

µννµ ++→ ++ee

Particle Physics Booklet. Particle Data Group. American Institute of Physics.

µννµ ++→ −−__

ee

Miony – pochodzenie.� W skutek oddziaływania pierwotnego promieniowania

kosmicznego z atomami i cząsteczkami atmosfery

powstają głównie mezony π.

� Z rozpadów naładowanych π powstają miony:

�

�

µνµπ +→ ++

µνµπ__

+→ −−

Rozpady Kaonów prowadzące bezpośrednio do powstawania mionów.Proces: stosunek rozgałęzień:

• 63.5 %

• 3.2 %

• 27 %

Rozpady Kaonów prowadzące pośrednio do powstawania mionów. W wyniku rozpadu powstaje naładowany pion, który następnie rozpada się na mion.

Procesy: stosunek rozgałęzień:• 21.2 % • 5.6 %• 1.73 %

• 68.6 %• 38.6 %• 12.3 %

)(__

µµ ννµ +→ −+−+K

)(__

0µµ ννµπ ++→ −+−+

K

)(__

0µµ ννµπ ++→ −+−+

LK

0ππ +→ −+−+K

−+−+−+ ++→ πππK00 πππ ++→ −+−+

K

−+ +→ ππ0

SK

)(__

0

eeL eK ννπ ++→ −+−+

00 πππ ++→ −+L

K

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 sięod składowej mionów atmosferycznych.

� Rozpraszanie głęboko nieelastyczne:

�

� Rozpraszanie przy dużych energiach i przekazach pędu, możliwe są różne hadronowe stany końcowe.

XN +→+ −µν µ

� Rozpraszanie głęboko nieelastyczne:

�

� Procesy rezonansowe, zdominowane głównie przez

produkcję ∆:

� 1.

� Gdzie:

� 2.

� Gdzie:

)()(+++− ∆∆+→+ µν µ pn

)()(0

__−+ ∆∆+→+ µ

µν np

XN +→+ −µν µ

++ +→∆ πn+++ +→∆ πp

−+→∆ πp0

−− +→∆ πn

� Rozpraszanie kwazielastyczne:

�

�

� Odwrotny rozpad mionu:

�

�

++→+ µν µ np__

−+→+ µν µ pn

−− +→+ µνν µ ee

−− +→+ µµνν

____

ee

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 δ - Gdy w procesie jonizacji powstaje elektron o energii wystarczającej do dalszej

jonizacji ośrodka, elektron ten nazywamy

elektronem δ.

Jonizacja i elektrony delta.

ε - 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 energięmionu.

� 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)

Hala w Gran Sasso (Włochy).

Widoczny detektor ICARUS

T600

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.

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 energiękaskad 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

pod kątem ϕ = 64o

θ = 116o

Przypadek wprowadzony do detektora

pod kątem ϕ = 120o

θ = 180o

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.

100020

50010

10020

5010

Zadana Energia [ GeV]Liczba Przypadków

Wygenerowane przypadki za pomocą generatora MC – Fluka.:

Na bazie wygenerowanych przypadków sprawdzano

rekonstrukcje energii wysokoenergetycznych mionów

w zależności od zastosowanej wersji metody

pomiarowej.

Przypadki MC.

100 GeV 1000 GeV

Energia mionów 50 GeV. Energia mionów 1000 GeV.

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.

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 Danuta KieKiełłczewskaczewska, Tadeusz Koz, Tadeusz Kozłłowski (PII), Piotr owski (PII), Piotr

MijakowskiMijakowski, Tomasz Palczewski, Pawe, Tomasz Palczewski, Pawełł PrzewPrzewłłocki, ocki,

Ewa Ewa RondioRondio, Joanna , Joanna StepaniakStepaniak, Maria H. , Maria H.

SzeptyckaSzeptycka, Joanna , Joanna ZalipskaZalipska. .

�� UW: Wojciech Dominik, Katarzyna Grzelak, UW: Wojciech Dominik, Katarzyna Grzelak,

Magdalena PosiadaMagdalena Posiadałła, Justyna a, Justyna ŁŁagoda.agoda.

�� PW: Leszek RaczyPW: Leszek Raczyńński, Robert Sulej, Krzysztof ski, Robert Sulej, Krzysztof

Zaremba.Zaremba.

�� http://http://neutrino.fuw.edu.plneutrino.fuw.edu.pl//

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 %.

__>

_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.

__>