astrofisica gamma esperimenti nello spazio esperimenti a terra

Astrofisica GammaAstrofisica Gamma

Esperimenti nello spazioEsperimenti nello spazio

Esperimenti a terraEsperimenti a terra

April 22, 2007 Astrofisica Gamma 2

Tecniche di astronomia gammaTecniche di astronomia gamma



L’atmosfera terrestre al livello del mare è spessa circa L’atmosfera terrestre al livello del mare è spessa circa 1000 g/cm1000 g/cm22, corrispondenti a circa 27 X, corrispondenti a circa 27 X0 0 (11 lunghezze di (11 lunghezze di

interazione): la probabilità che un fotone, con energia al di interazione): la probabilità che un fotone, con energia al di sopra della soglia di produzione di coppie, raggiunga la sopra della soglia di produzione di coppie, raggiunga la superficie terrestre è circa 10superficie terrestre è circa 10-11-11..

Anche in alta montagna, dove lo spessore dell’atmosfera è Anche in alta montagna, dove lo spessore dell’atmosfera è sensibilmente più piccolo, la probabilità che un fotone sensibilmente più piccolo, la probabilità che un fotone primario raggiunga la superficie terrestre (per poter essere primario raggiunga la superficie terrestre (per poter essere misurato) è trascurabile. misurato) è trascurabile. I fotoni primari possono essere I fotoni primari possono essere studiati soltanto da rivelatori su satellite o su pallone.studiati soltanto da rivelatori su satellite o su pallone.



Es. Per “Vela”, la sorgente gamma più Es. Per “Vela”, la sorgente gamma più forte, forte, (E>100MeV)=1.3x10(E>100MeV)=1.3x10-5-5 fotoni cm fotoni cm-2-2 s s--

1 1 e l’indice spettrale è -1.89. Area riv. e l’indice spettrale è -1.89. Area riv. 1000 1000 cmcm22

N(E>100MeV) N(E>100MeV) 1 1 /min /min N(E>1GeV) N(E>1GeV) 1 1 in 2 ore in 2 ore

Il flusso dei raggi gamma dalle Il flusso dei raggi gamma dalle sorgenti astrofisiche è basso e sorgenti astrofisiche è basso e diminuisce sensibilmente con diminuisce sensibilmente con

l’energia.l’energia.



Il flusso dei raggi cosmici, in particolare dei protoni, è molto maggiore che quello dei gamma. Queste particelle formano praticamente un fondo isotropico.Spettro misurato:

11-1-276.26 TeVsrscm109 −−−×≅ TeVEdEdN



Queste considerazioni, niente affatto esaustive, Queste considerazioni, niente affatto esaustive, suggeriscono che lo studio dei raggi gamma primari con suggeriscono che lo studio dei raggi gamma primari con energia maggiore fino a 10-100 GeV può essere effettuato energia maggiore fino a 10-100 GeV può essere effettuato con esperimenti su satellite (purchè vengano costruiti con con esperimenti su satellite (purchè vengano costruiti con area efficace sufficiente).area efficace sufficiente). Per energie più elevate, non è Per energie più elevate, non è realistico (al momento) pensare ad esperimenti basati su realistico (al momento) pensare ad esperimenti basati su satellite per questioni di costi legati alle dimensioni.satellite per questioni di costi legati alle dimensioni. Le Le alte energie vengono esplorate sfruttando la radiazione alte energie vengono esplorate sfruttando la radiazione secondaria emessa nell’interazione dei gamma primari con secondaria emessa nell’interazione dei gamma primari con l’atmosfera terrestre.l’atmosfera terrestre.


Ma lo scopo…..??????Ma lo scopo…..??????

Identificazione di fotoniIdentificazione di fotoni Misura dell’energiaMisura dell’energia Misura della direzioneMisura della direzione Misure del tempoMisure del tempo Mantenendo fondi bassi…..Mantenendo fondi bassi…..


Definizioni - IRFDefinizioni - IRF

Instrument Response FunctionInstrument Response Function

– Risposta del rivelatore (in funzione delle quantità misurate E’ e Risposta del rivelatore (in funzione delle quantità misurate E’ e ’) ad un flusso noto ’) ad un flusso noto F (funzione delle “vere” quantità E and F (funzione delle “vere” quantità E and ).).

– Area efficaceAArea efficaceAeffeff..

– Risposta in energia Risposta in energia E.E.

– Point Spread Function (PSF) – risoluzione angolare.Point Spread Function (PSF) – risoluzione angolare.

– Normalmente utilizzata per estrarre flussi “reali” da quelli misuratiNormalmente utilizzata per estrarre flussi “reali” da quelli misurati

– Un’ottima conoscenza delle IRF è cruciale per la determinazione della Un’ottima conoscenza delle IRF è cruciale per la determinazione della normalizzazione assoluta dei flussi. Le IRF non dipendono solo dal rivelatore ma normalizzazione assoluta dei flussi. Le IRF non dipendono solo dal rivelatore ma anche dagli algoritmi di ricostruzione.anche dagli algoritmi di ricostruzione.


Area efficaceArea efficace– Determina il flusso reale di un segnale, dopo la correzione di tutti gli effeti Determina il flusso reale di un segnale, dopo la correzione di tutti gli effeti

legati al rivelatore (incluso reiezione del fondo):legati al rivelatore (incluso reiezione del fondo):

– Può essere scritta come la convoluzione di area geometrica, probabilità di Può essere scritta come la convoluzione di area geometrica, probabilità di conversione, efficienza del rivelatore e degli algoritmi di ricostruzione.conversione, efficienza del rivelatore e degli algoritmi di ricostruzione.

Definizioni - Area EfficaceDefinizioni - Area Efficace


Definizioni - Field of ViewDefinizioni - Field of View Field Of View (campo di vista)Field Of View (campo di vista)

– Definito come l’integrale dell’area efficace su tutto l’angolo solido normalizzato Definito come l’integrale dell’area efficace su tutto l’angolo solido normalizzato rispetto all’area efficace di picco.rispetto all’area efficace di picco.

– Se la risposta angolare è uniforme, il FOV è 4Se la risposta angolare è uniforme, il FOV è 4 (tutto il cielo). (tutto il cielo).– Nel caso di un rivelatore “planare” (Aeff(Nel caso di un rivelatore “planare” (Aeff() = A) = A00coscos), il FOV è ), il FOV è (1/4 del cielo). (1/4 del cielo).– Il FOV dipende essenzialmente dal rapporto altezza/larghezza (aspect ratio) del Il FOV dipende essenzialmente dal rapporto altezza/larghezza (aspect ratio) del

rivelatore.rivelatore.

TKRTKR

CALCAL

Low aspect ratio =Large FOV

High aspect ratio =Small FOV


Definizioni - Point Spread FunctionDefinizioni - Point Spread Function Point Spread Function (PSF)Point Spread Function (PSF)

– Risoluzione angolare del rivelatore, inclusiva degli effetti di ricostruzione e Risoluzione angolare del rivelatore, inclusiva degli effetti di ricostruzione e reiezione del fondo.reiezione del fondo.

– Descrive la risposta del rivelatore ad una sorgente puntiformeDescrive la risposta del rivelatore ad una sorgente puntiforme– Tipicamente NON Gaussiano, il parametro rilevante è PSFTipicamente NON Gaussiano, il parametro rilevante è PSF95%95%/PSF/PSF68% 68% (per (per

comportamento gaussiano il contenimento 95% è 1.6 volte il contenimento comportamento gaussiano il contenimento 95% è 1.6 volte il contenimento 68%).68%).


Esperimenti su satelliteEsperimenti su satellite

e+ e– calorimetro

tracciatore

convertitore

Schermo anti-coincidenza

Telescopio per conversioniSchema tipico di un esperimento Schema tipico di un esperimento per raggi gamma su satellite: per raggi gamma su satellite: sfrutta la conversione dei fotoni sfrutta la conversione dei fotoni in coppie elettrone-positrone. in coppie elettrone-positrone. Enorme miglioramento negli Enorme miglioramento negli ultimi anni grazie all’utilizzo di ultimi anni grazie all’utilizzo di tecniche sperimentali sviluppate tecniche sperimentali sviluppate nell’ambito degli esperimenti di nell’ambito degli esperimenti di fisica agli acceleratori di fisica agli acceleratori di particelle.particelle.

Misura di energia, direzione e tempo dei fotoni incidenti nel rivelatore.



e+ e– calorimetro

tracciatore

convertitore


Telescopio per conversioniI fotoni iniziano una cascata I fotoni iniziano una cascata elrttromagnetica che consente di elrttromagnetica che consente di misurare la loro misurare la loro direzionedirezione…..grazie ad un sistema …..grazie ad un sistema di tracciatura di precisione che di tracciatura di precisione che rivela il passaggio degli elettroni rivela il passaggio degli elettroni e positroni prodotti e consente e positroni prodotti e consente un’accurata ricostruzione delle un’accurata ricostruzione delle loro traiettorie…..loro traiettorie…..



e+ e– calorimetro

tracciatore

convertitore


Telescopio per conversioni…….la loro .la loro energiaenergia, grazie ad un , grazie ad un calorimetro posto calorimetro posto immediatamente al di sotto del immediatamente al di sotto del tracciatore/convertitore. La tracciatore/convertitore. La misura di energia è normalmente misura di energia è normalmente sufficientemente precisa tranne sufficientemente precisa tranne che ad alte energie, dove il non che ad alte energie, dove il non contenimento di questi contenimento di questi calorimetri peggiora la calorimetri peggiora la risoluzione….risoluzione….



e+ e– calorimetro

tracciatore

convertitore


Telescopio per conversioni…….il .il tempo di arrivotempo di arrivo, essenziale , essenziale per esempio per gli studi di per esempio per gli studi di Gamma-ray bursts.Gamma-ray bursts.

Uno schermo di rivelatori Uno schermo di rivelatori sensibili alle particelle cariche, sensibili alle particelle cariche, in configurazione più o meno in configurazione più o meno complessa, garantisce che complessa, garantisce che l’evento osservato è dovuto l’evento osservato è dovuto alla conversione di un fotone e alla conversione di un fotone e non al passaggio di un raggio non al passaggio di un raggio cosmico.cosmico.



e+

e– calorimetro

tracciatore

convertitore


Telescopio per conversioniIl disegno del rivelatore deve opportunamente tener conto di:

• efficienza di veto (MIPS, zone morte, poco materiale..)• ottimizzazione risoluzione angolare (ottima risoluzione spaziale, poco scattering multiplo…)• ottimizzazione risoluzione energia (buona calorimetria, poco materiale passivo…)• ottimizzazione risoluzione temporale (rivelatori veloci)• alta probabilità di conversione per fotoni

Queste richieste sono in parziale conflitto tra di loro…………!!!!!!!!


Esperimenti a Terra - Dettagli 1Esperimenti a Terra - Dettagli 1 A seconda della sua energia, un singolo raggio cosmico può generare sciami

con grandi quantità di particelle.

Gli sciami più piccoli sono assorbiti nella parte alta dell’atmosfera e non raggiungono la superficie terrestre. Ma, durante il loro tragitto, alcune delle particelle dello sciame emettono radiazione Cerenkov. Sebbene i raggi cosmici e gli sciami prodotti siano principalmente assorbiti dall’atmosfera è possibile rivelare la radiazione Cerenkov emessa lungo il percorso: solo in notti serene e senza luna (duty-cycle 10-15%).

La cascata e la generazione di luce Cerenkov in un cono in avanti hanno due conseguenze sperimentali piuttosto immediate: la luce arriva a terra su fronti di diverse decine (o centinaia …!) di metri e di conseguenza l’intensità di luce per unità di area è piuttosto piccola.


Esperimenti a Terra - Dettagli 2Esperimenti a Terra - Dettagli 2

I singoli segnali sono piccoli, di conseguenza la sensitivià del rivelatore deve essere spinta al limite. La superficie attiva deve essere massimizzata e lgi elementi di lettura devono essere in grado di rispondere a singoli fotoni con alta efficienza. Per migliorare la sendibilità normalmente questi esperimenti sono installati in alta montagna, lontani da luci diffuse e nuvole.

EAS, con la loro alta molteplicità di particelle che arrivano sulla superficie terrestre, possono essere rivelati con molti tipi di rivelatori diversi. I più comuni (!! Sorpresa?) sono gli scintillatori, che consentono la misura del tempo di arrivo con buona accuratezza. Esistono poi una moltitudine di rivelatori sensibili alla posizione, che servono a misurare il passaggio di particelle di sciami estesi, e questi vanno da resistive plate chambers (RPC), st tubi streamer, tubi Geiger, rivelatori Cerenkov ad acqua....

Ad alte energie gli sciami generati in atmosfera contengono hanno altissima molteplicità: miliardi di particelle per i raggi cosmici di più alta energia. Non bisogna mai dimenticare che quando si misurano EAS (Extensive Air Showers) non si misurano direttamente i raggi cosmici primari, ma una moltitudine di particelle secondarie che sono state generate dal viaggio del raggio cosmico nella nostra atmosfera.


Esperimenti a Terra - 1Esperimenti a Terra - 1

L’atmosfera terrestre funziona come un calorimetro e le particelle primarie producono sciami (EAS), che danno informazioni sulla direzione e energia della particella primaria. Fondo da sciami adronici: sostanzialmente diverso, ma l’abbondanza dei CR pone un serio problema ai fattori reiezione.



Sviluppo longitudinale dipende in modo logaritmico dall’energia. Lo sciame arriva a Terra con un fronte largo diversi metri, decine di nsec. La distribuzione laterale è ben descritta da:

21

5.4

1

2

12

1

g/cm3.91)(

),( ≈=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

−−

oC

s

ss

eN X

EE

rrr

rr

rtN

trρ


Esperimenti a Terra - 5Esperimenti a Terra - 5La sezione d’urto La sezione d’urto -p è stata misurata fino ed energie -p è stata misurata fino ed energie EE=20 TeV. Le estrapolazioni necessarie sono ritenute =20 TeV. Le estrapolazioni necessarie sono ritenute affidabili.affidabili.

Sviluppo dello sciame con Ec=80 MeV.Sviluppo dello sciame con Ec=80 MeV.


Le problematiche degli esperimenti su satellite sono di vario Le problematiche degli esperimenti su satellite sono di vario genere e tutti ovviamente legati agli aspetti “peculiari” degli genere e tutti ovviamente legati agli aspetti “peculiari” degli ambienti spaziali.ambienti spaziali.

1.1. Problematiche pre-lancioProblematiche pre-lancio

2.2. Problematiche in fase di ascesaProblematiche in fase di ascesa

3.3. Problematiche in orbitaProblematiche in orbita

4.4. Problematiche di disegno e di realizzazione Problematiche di disegno e di realizzazione

Esperimenti su satellite- Esperimenti su satellite- ProblematicheProblematiche

Vedremo brevemente i punti 1, 2 e 3 più avanti. PerVedremo brevemente i punti 1, 2 e 3 più avanti. PerIl momento ci concentriamo sul punto 4, per capire come i Il momento ci concentriamo sul punto 4, per capire come i vincoli dell’ambiente spaziale influenzano le scelte vincoli dell’ambiente spaziale influenzano le scelte sperimentali. sperimentali. Case study : GLAST (non esaustivo).Case study : GLAST (non esaustivo).


Dimensioni geometriche: dimensioni trasversali < 1,8 mDimensioni geometriche: dimensioni trasversali < 1,8 m Peso: < 3000Kg. Peso: < 3000Kg. Limitazione principalmente legata alla Limitazione principalmente legata alla

calorimetria elettromagnetica. Esempio: CsI(Tl). Densità 4,5 calorimetria elettromagnetica. Esempio: CsI(Tl). Densità 4,5 g/cmg/cm33. Assumiamo che 2/3 del peso vengano “assegnati” alla . Assumiamo che 2/3 del peso vengano “assegnati” alla calorimetria EM. Dimensioni “trasversali”: 160x160 cm. Lo calorimetria EM. Dimensioni “trasversali”: 160x160 cm. Lo spessore di calorimetro risultante è spessore di calorimetro risultante è

XX00=1.89 cm, quindi avremmo un calorimetro EM di 9 X=1.89 cm, quindi avremmo un calorimetro EM di 9 X00, che , che

comporta delle scelte ben precise in termini di risoluzione in E.comporta delle scelte ben precise in termini di risoluzione in E.

Vincoli “spaziali” di GLAST - 1Vincoli “spaziali” di GLAST - 1

€€

€

s =V

A=

2000• 103 /4,5

160• 160=17,36cm


Potenza < 650 Watts (!!! Sei lampadine!)Potenza < 650 Watts (!!! Sei lampadine!)

Banda passante telemetria < 300 kbps in media per orbita: Banda passante telemetria < 300 kbps in media per orbita: definisce il livello di reiezione del fondo online e il volume dei definisce il livello di reiezione del fondo online e il volume dei dati da trasferire. dati da trasferire. GPRS < BP < UMTSGPRS < BP < UMTS


€€

7M canali di rivelatori al silicio, limita principalmente la potenza dissipata per ogni singolo canale (che deve essere dell’ordine dei W) e la potenza disponibile per il computing “on board”.


Centro di gravità basso, impone vincoli sull’altezza del rivelatore Centro di gravità basso, impone vincoli sull’altezza del rivelatore che comunque è già vincolata dal fatto di voler mantenere un che comunque è già vincolata dal fatto di voler mantenere un basso “aspect ratio” (…per avere un buono FOV).basso “aspect ratio” (…per avere un buono FOV).

……..+ 1, 2 e 3……!!!!..+ 1, 2 e 3……!!!!


€€


SensitivitàSensitività

€€

High galactic latitudesb=2 10-5 cm-2 s-1 sr -1 (100 MeV/E)1.1). Cerenkov telescopes sensitivities (Veritas, MAGIC, Whipple, Hess, Celeste, Stacee, Hegra) are for 50 hours of observations. Large field of view detectors sensitivities (AGILE, GLAST, Milagro, ARGO, AMS) are for 1 year of observation.


Satellite vs esperimento a TerraSatellite vs esperimento a Terra Satellite :

– radiazione primaria– piccola area efficace ~1m2

» bassa sensitività– apertura angolare grande– grande duty-cicle– alti costi– energie medio/alte– background basso

Esperimento a terra– radiazione secondaria– grande area efficace ~104 m2

» alta sensitività– apertura angolare piccola – piccolo duty-cicle– costi bassi (…..)– alte energie– background


Esperimenti a TerraEsperimenti a Terra

STACEECACTUS

MILAGRO

TIBETARGO-YBJ

PACT

GRAPES

TACTIC

STACEE

MAGIC

TIBET

HESS

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