Extreme Energy Events

La scienza nelle scuole

R. Baldini, G. Bencivenni, G. Imponente, Silvia Miozzi

Il progetto EEE ha come obiettivo il coinvolgimento dei giovani in un’esperienza scientifica che prevede la costruzione e l’installazione, nelle loro scuole, di rilevatori in grado di osservare i raggi cosmici.

I Raggi Cosmici sono particelle subatomiche con energie molto varie, 109-1021 eV. Apparentemente molto lontane da noi, in realtà si devono a loro molte mutazioni genetiche e variazioni climatiche; inoltre costituiscono la “cenere” del Big Bang e consentono lo studio dell’universo.

Le domande importanti

1.1. Cosa sono i Raggi Cosmici ?Cosa sono i Raggi Cosmici ?

2.2. Da dove provengono ?Da dove provengono ?

3.3. Come sono prodotti ?Come sono prodotti ?

4.4. Qual’è la loro energia ?Qual’è la loro energia ?

5.5. Come si studiano ?Come si studiano ?

Cosa sono i Raggi Cosmici?Cosa sono i Raggi Cosmici?

• Sono una delle principali componenti dell’Universo e la maggiore fonte di materiale extra-terrestre.

• Si presentano sotto forma di radiazione molto penetrante (particelle subatomiche cariche molto energetiche).

• La loro rivelazione ci può fornire informazioni sull’Universo e sugli oggetti che lo popolano

Quali particelle formano Quali particelle formano i Raggi Cosmici ?i Raggi Cosmici ?

I raggi cosmici sono nuclei di atominuclei di atomi di materia ordinaria:

~ 90% Idrogeno~ 90% Idrogeno

~ 9 % Elio~ 9 % Elio

~ 1 % tutti gli altri nuclei~ 1 % tutti gli altri nuclei

L’atomo piú comune nell’ Universo é l’atomo di Idrogeno.Il suo nucleo é costituito da un protone.

elettrone

nucleo (protoni + neutroni)

Da dove vengono i Raggi Cosmici ?Da dove vengono i Raggi Cosmici ?

Alle basse energie: Il nostro Sole(eruzioni solari)

Alle medie ed alte energie: Esplosioni di Supernova ???

Ad altissime energie: ...... Buchi neri super massicci...... gamma-ray bursts ???...... oggetti sconosciuti dell’Universo....... ???

L’identificazione delle sorgenti di R.C. è correlata con la loro energia

L’energia dei Raggi Cosmici

Nello studio dei R.C. si utilizza l’elettron-volt (eV)elettron-volt (eV)

La luce = radiazione elettromagnetica costituita da fotoni di energia pari a circa 1 eV.

Energia di una molecola d’aria in questa stanza = 0.03 eV

• Ma quanta energia è 1 eV ?Ma quanta energia è 1 eV ?1 eV = 1.6 · 10-19 J 1 eV/c2 = 1.8 · 10-36 Kg

Che energia hanno i Raggi Cosmici ?

I R.C. sono particelle con energie che vanno dai milioni di I R.C. sono particelle con energie che vanno dai milioni di eV (MeV) fino a 100 miliardi di miliardi di eV (10eV (MeV) fino a 100 miliardi di miliardi di eV (1020 20 eV) !!!!eV) !!!!

raggi X2 x massa e-

massa protone

LHC

Energia abbreviazione

103 eV = 1,000 eV KeV = Kilo eV

106 eV = 1,000,000 eV MeV = Mega eV

109 eV = 1,000,000,000 eV GeV = Giga eV

1012 eV = 1,000,000,000,000 eV TeV = Tera eV

1015 eV = 1,000,000,000,000,000 eV PeV = Peta eV

1018 eV = 1,000,000,000,000,000,000 eV EeV = Exa eV

1021 eV = 1,000,000,000,000,000,000,000 eV ZeV = Zetta eV

Si utilizzano multipli dell’elettron-Volt

Lo “Spettro” dei Raggi CosmiciLo “Spettro” dei Raggi Cosmici

Knee1 p/(m2y)

1 p/(km2y)

1 p/(m2sec)

Fino a 10Fino a 102020 eV !!! eV !!!

Che cosa significa … ?

Esempio: voglio rivelare 100 sciami con un’energia di ~1019 eV

So che di questi eventi ne arriva 1 ogni anno su un km2 di superficie. Come faccio a vederne 100 ?

Se costruisco un rivelatore grande 1 km2 devo aspettare 100 anni…

Ma, come noto, la vita è breve e abbiamo tante altre cose da fare !

Allora faccio un rivelatore grande 100 km2 ed aspetto solo 1 anno.

E’ questo il motivo che spinge ad utilizzare tanti siti tra loro anche molto distanti !

Quanti Raggi Cosmici ci raggiungono?Quanti Raggi Cosmici ci raggiungono?

I raggi cosmici bombardano continuamente la Terra da ogni direzione.

Fuori dall’atmosfera terrestre su ogni metro quadrato “piovono” circa 30000 particelle ogni secondo !!!

L’atmosfera terrestre assorbe la maggior parte dei raggi cosmici.

I Raggi Cosmici e l’atmosferaI Raggi Cosmici e l’atmosfera

Quando un Raggio Cosmico raggiunge l’atmosfera terrestre

a) la particella primaria collide con i nuclei dell’aria provocando una

b) cascata di particelle secondarie di energia più bassa, che a loro volta

c) subiscono ulteriori collisioni producendo uno sciame di miliardi e più di particelle che raggiungono il suolo terrestre in un’area la cui estensione può essere anche di diversi km2.

Gli Sciami Atmosferici Estesi (EAS)

Sono il risultato dell’interazione dei Raggi Cosmici con l’atmosfera.Sono il risultato dell’interazione dei Raggi Cosmici con l’atmosfera.

Raggio Raggio Cosmico Cosmico primarioprimario

Caratteristiche degli EAS

asseasse

fronte dello sciamefronte dello sciame

curvaturacurvatura

corecore

~20ns~20ns

~2ns~2ns

t

Ltg

L

tt

atmosfera

Griglia di Griglia di rivelatoririvelatori

Cosa contengono gli sciami ?Protone (o nucleo) primariointeragisce nell’atmosfera

Produzione di mesoni +/-

Produzione di 0

Produzione di nucleoni

Decadimento +

Decad.del 0

Decadimento + e11 22 33

I muoni µ

• Sono particelle elementari (“leptoni”).

• Sono prodotti nelle prime interazioni del Raggio Cosmico primario con l’atmosfera.

• Si muovono verso il suolo con una traiettoria quasi parallela a quella del RC primario.

• Possono avere un’energia molto elevata: quelli più energetici sono studiati in laboratori sotterranei, sotto grandi spessori di roccia.

Esiste un orizzonte dei RC ?

Domanda bizzarra, ma non troppo a pensarci bene…!Domanda bizzarra, ma non troppo a pensarci bene…!

Dalla nostra esperienza quotidiana sappiamo tutti cos’è “l’orizzonte”:

“linea ideale che delimita il raggio visuale di un dato luogo”

dal greco “circolo che delimita”.

E allora se guardiamo il cosmo con gli “occhi” della radiazione cosmica che ci raggiunge, esiste un limite oltre il quale non “vediamo” ?

Esiste una “confine” tale che se una sorgente è al di là di esso la radiazione cosmica che ci invia non ci raggiunge ?

Sembra di sì !Sembra di sì ! Effetto GZKEffetto GZK

(Greisen-Zatsepin-Kuzmin)

CR Energy spectrumCR Energy spectrum

• Sources and acceleration mechanism for UHECR production (E >1019 eV) are unknown

• Sources must be < 50 Mpc !!!

•Above 1020 eV we expect a cut-off

(GZK mechanism)• CR with energy in excess of 1020 eV

have been detected

Greisen-Zatsepin-Kuzmin Supression: Photo-production of

pions from CMBRP

γ3K

ΔＮ　

π

The Ultra-High Energy Cosmic Ray The Ultra-High Energy Cosmic Ray (UHECR) Spectrum: State of Affairs:(UHECR) Spectrum: State of Affairs:

• Best statistics from HiRes experiment (data through 6/2005) nitrogen fluorescence.

• Significant differences with AGASA surface scintillator array.

• Auger surface detector (SD), calibrated with fluorescence detector (spectrum shown 2005 International Cosmic Ray Conference)

On December 3,1993 the AGASA (Japan) array recorded a very large air shower. This very special event was particularly well measured  because the air shower fell completely inside the detector array and arrived from a nearly vertical direction. This air shower was produced by a cosmic ray with an energy of about 2x1020 eV. This is the highest-energy cosmic ray observed at AGASA; and, like the Fly's Eye event in Utah, it has an energy well above the expected from any known source.

The AGASA ExperimentThe AGASA Experiment

111 surface electron detectors of 2,2 m2 area

Covered area 100 km2

Typical Event

0 4km

HiRes Array (Utah)HiRes Array (Utah)

67 Fly’s eyes detector

1,5 m diameter

The Auger observatoryThe Auger observatory

Argentina

TA is an Hybrid Detector (Utah)TA is an Hybrid Detector (Utah)

TA

Full array will consist of 576 detectors on 1.2 km grid (approximately 20 km × 30 km)

Correlated showersCorrelated showers

Sign of extreme energy universe may come not as a single OMG (Oh My God) event but rather as a burst of events of more modest energy.

Possible sources could be:

• Active stars “burst”

• “gamma-ray burst”

• “Extreme High Energy” CR decay products

•1975 a cluster of EAS with estimated energy of 1021 eV has been observed in two different stations 250 Km apart.

Detector networkDetector network• Detection of single OMG event require dense

EAS array and/or atmospheric fluorescence detectors with detector spacing of the order of a Km.

• Large detection area is also required

• Using GPS technology it is possible to perform precision timing over ultra large area with detectors network.

• Large Area Air Shower array (1990) is 10 compact EAS array spread across Japan and cover an area of the order of 30.000 Km2

Lavorare con le scuoleLavorare con le scuole

• L’installazione di un large area array richiede una zona molto estesa e poco popolata

• Oppure una zona molto estesa e densamente popolata con molte scuole

Mediante rivelatori non troppo distanti (scuole lontane pochi km, si possono rivelare Raggi

Cosmici UHE (“Ultra High Energy”, 1018 – 1020 eV) contandoli e cercando di identificarne la

sorgente di provenienza…

……e si può cercare di capire se l’orizzonte dei e si può cercare di capire se l’orizzonte dei Raggi Cosmici esista o meno !Raggi Cosmici esista o meno !

Lavorare con le scuoleLavorare con le scuole

Lavorare con le scuoleLavorare con le scuole

• Coinvolgere studenti e insegnanti in un’esperienza unica sia dal punto di vista didattico sia di partecipazione attiva ad un vero esperimento

EEE projectEEE project

• The Italian Extreme Energy Events (EEE) project has adopted Multigap Resistive Plate Chambers (MRPC) as their basic detector element.

• These allows a precise measurements of the direction and time of arrival of the muon component of cosmic ray showers.

• The aim of this project is to have a system of MRPC telescopes distributed over all Italian territory

• We’ll call UHECR event a coincidence between signals in a very narrow time and angular window

• To localize the sites a GPS system is used

EEE projectEEE project

• 2005/6 : inizia la costruzione per 7 scuole in 7 città

• 2007 : 21 scuole in 7 città

• … 100 scuole in lista d’attesa

European projectsEuropean projects

The European groups are also developing a similar collaboration called Eurocosmics.

It is clear that the natural next step is to combine North America and European networks into a worldwide network to comprehend the Extreme Energy Universe

NALTA NetworkNALTA Network

Most of the major groups in Canada and USA have formed a loose collaboration (North American Large-area Time Coincidence Arrays) with more than 100 detector stations spread across North America.

The detector systems are plastic scintillators which are read by custom made electronics and which use GPS for precise coincident timing with others nodes.

The main characteristics of the detector are very good time resolution and good tracking performances

EEE MRPCEEE MRPC

Three MRPC chambers form a telescope that can reconstruct the trajectory of cosmic muons in a shower

Gli MRPC di EEEGli MRPC di EEE

• Miscela di gas densi e veloci = 95% C2H2F4 5% SF6

• 6 gap da 300 m• Elettrodi in vetro 1,1/1,8 mm

– 5 floating e 2 connessi a HV• Tensione di lavoro 20 KV• Segnale sommato sulle 6 gap• Risoluzione temporale 100-200ps• Risoluzione spaziale 1 cm2

Multigap Resistive Plate Chamber

Typical EEE arrayTypical EEE array

• The local array is composed by at least three telescopes at a distance of about 1 Km using a GPS for precise local and global coincidence timing

• Coincidence events preselection using GPS and tracking information's

• Fine analysis of the events based on time resolution performances (direction and arrival time of the shower)

studenti e insegnanti di 7 città italiane trascorrono

una settimana ai laboratori del CERN di Ginevra per

costruire gli MRPC

maggio-luglio 2005

Prima fase:Prima fase:

Studenti e insegnanti lavorano al fianco dei ricercatori…

…in un ambiente internazionale

maggio-luglio 2005

Jin Sook Kim

Despina Hatzifotiadou

Trasporto eccezionale dal Trasporto eccezionale dal CERN…CERN…

Dicembre 2005

……alle 7 città italianealle 7 città italiane

Torino

Cagliari

Bologna

LNGS

Lecce

Catania

Ginevra

Dicembre 2005

Riprende la costruzione al CERNRiprende la costruzione al CERN

Gennaio 2006

Cosa succede intanto nei 7 siti

italiani?

INFN educational : seminariINFN educational : seminari

• Le particelle elementari

• Il modello standard

• La radiazione cosmica

• I rivelatori di particelle

• Elettronica digitale

• Aquisizione dati

INFN educational:INFN educational:

Febbraio – maggio 2006

corso pratico

Costruzione di un MRPC

Test e misureTest e misure

Febbraio – maggio 2006

Liceo B.Touschek – Grottaferrata (RM)Liceo B.Touschek – Grottaferrata (RM)

First EEE siteFirst EEE site

2006 May 30

LNF

0,9

Km

1 K

m

Sito EEE di FrascatiSito EEE di Frascati

in attesa delle prime coincidenze

96 studenti

15 insegnanti