Il Progetto MAGIC-D
R.Faraldo, E.Prandini, A.Saggion, V.Scalzotto
Progetto Lauree Scientifiche – Padova
Dipartimento di Fisica G.Galilei – Univ. di Padova
INFN Sezione di Padova
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Che cos’e’ MAGIC?
A.Saggion
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
2
MAGIC
(Major Atmosferic Gamma Imaging Čerenkov telescope)
telescopio per luce Čerenkov di nuova generazione
2 telescopi con
superficie parabolica
composita di 17m Ø.
240 m2 di superficie riflettente.
Altitudine: 2200 m s.l.m.
Collaborazione: >100 fisici, ~20 istituti,
~10 paesi: Barcelona IFAE, Barcelona UAB,
Barcelona UB, Croatia, U.C. Davis, U.
Dortmund, U. Lodz, UCM Madrid, MPI München,
INFN/ U. Padua, INFN/ U. Siena, Sofia, Tuorla
Observatory, INFN/ U. Udine, U. Würzburg, ETH
Zürich
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
3
L’Universo secondo MAGIC
Pulsars
AGNs
GRBs
SNRs
Origin of
Cosmic Rays
Dark
Matter
22 dicembre 2015
cosmological
Quantum Gravity g-Ray Horizon
effects
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
4
Obiettivi scientifici
Sorgenti di raggi g
50 GeV < E < ˜TeV
Galattici:
•SNR (Super Nova Remnants)
•PULSAR
•MICROQUASAR
Extragalattici:
•AGN (Nuclei galattici attivi)
•GRB (Lampi di luce gamma)
•WIMP (possibili candidati di materia
oscura)
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
5
The “Big” Four
MAGIC
(Germany, Italy & Spain)
2 telescopi 17 meters Ø
VERITAS
(USA & England)
4 telescopi
10 meters Ø
Montosa
Canyon,
Arizona
Roque de
los Muchachos,
Canary Islands
Windhoek,
Namibia
HESS
(Germany & France)
4 telescopi
10 meters Ø
Woomera,
Australia
CANGAROO III
(Australia & Japan)
4 telescopi 10 meters Ø
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
6
Raggi Cosmici: composti al 99% da particelle cariche
(p, H+, He++, e, ...)
Raggi Gamma: non deviati dai campi magnetici interstellari.
Portatori di informazione relativa alla direzione di provenienza.
Al contatto con l’atmosfera,
cascata di particelle secondarie:
Sciami Atmosferici
con differente struttura
a seconda della natura della
particella primaria.
Lo studio di queste differenze sta alla base
della tecnica di rilevazione del segnale gamma,
sommerso nel fondo adronico
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Formazione dell’immagine
Emissione ad un’altezza media di ≈ 8
Km s.l.m.
Estensione per ≈ 5 Km.
Alta atmosfera:
densità dell’aria minore piccolo angolo Čerenkov
↓
Luce focalizzata vicino al centro della camera
Bassa atmosfera
Maggiore densità dell’aria
angolo Čerenkov più grande
↓
Luce focalizzata lontano dal centro della camera
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
8
m
hg candidate
h with m
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Imaging Cherenkov Telescopes
Immagini Cherenkov tipiche da
eventi GAMMA con diverse energie
e parametro di impatto
(30 GeV, 60 m)
(100 GeV, 60 m)
(300 GeV, 60 m)
Relazioni geometriche tra lo
sviluppo di uno sciame ed il
sistema ottico di un
Telescopio Cherenkov
(30 GeV, 120 m)
22 dicembre 2015
(100 GeV, 120 m)
(300 GeV, 120 m)
PLS, MAGIC-D, Incontro coi
docenti
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Hillas Parameters
Selezione degli eventi gamma dallo
studio delle immagini ottenute,
ad es. con approssimazione delle
stesse a delle ellissi attraverso i
“Parametri di Hillas”
GAMMA
December 22, 2015
HADRON
MUON
11
Crab: la nostra
‘candela’ standard
Forte sorgente vista emettere nel gamma (Gev/Tev) la
prima volta nel 1989 (telescopio Whipple)
=> Candela standard usata per testare le performance dei
telescopi Cherenkov
•Esplosione osservata nel 1054

• Distanza 2 kpc
Crab Nebula
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Che cosa vuole essere
MAGIC-D?
R.Faraldo
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Nell’ambito del Progetto Lauree Scientifiche,
Orientamento e Formazione degli insegnanti,
il progetto MAGIC-D
si propone alle scuole secondarie di II grado, il
progetto “MAGIC-D” ideato da:
prof. Antonio Saggion (Dipartimento di Fisica “G. Galilei”
dell’Università di Padova, INFN sez. di Padova);
prof.ssa Rossella Faraldo ( INFN sez. di Padova).
Il progetto MagicD, oltre che proporre
un’esperienza di studio e orientamento
specifico per gli studenti, vuole soprattutto
offrire per i docenti una possibilità di ricerca
didattica orientata alla focalizzazione di
percorsi trasversali.
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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MAGIC-D costituisce una concreta
occasione di rivedere e riorganizzare
programmi disciplinari specifici e
introdurre, nel Piano dell’Offerta
Formativa dell’Istituto, trasversalità
atte a sviluppare strategie orientative
negli studenti, relativamente ai vari
corsi offerti nella Scuola secondarie di
II grado.
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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La prospettiva che si propone è la
possibilità di creare per i Docenti una
situazione di ricerca didattica e di
aggiornamento permanente.
Innovazione nei programmi disciplinari
e nella metodologia didattica.
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Il Progetto MAGIC-D propone lo studio
dell'esperimento MAGIC (Major Atmospheric
Gamma-ray Imaging Cherenkov), nome del più
grande telescopio per la ricerca dei raggi
gamma situato a La Palma, nelle Isole Canarie.
MAGIC-D è una esperienza che porterà un
piccolo gruppo di studenti meritevoli ad uno
stage a La Palma, per costruire la conoscenza
specifica in loco sperimentando.
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Proposta per i docenti
I docenti referenti presso gli istituti che
parteciperanno all’iniziativa, dovranno realizzare
una programmazione che tenga conto dei seguenti
temi:
 Elementi di astronomia con riferimento alla
programmazione scolastica specifica (ad esempio:
struttura del sistema solare; moto di rivoluzione e di
rotazione terrestre; il moto della volta celeste
osservato dalla Terra)
Elementi di cosmologia
Elementi d’informatica
Attività di laboratorio
Conoscenza del Metodo Scientifico
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Sarà organizzato un ciclo di Seminari per Docenti sulle tematiche:
Elementi
di Cosmologia
“L’informazione” dalle diverse sorgenti: la loro radiazione come
generazione di flussi di “particelle di luce” e “particelle materiali”;
Particelle di diversa energia
Rivelazione delle “particelle di luce” nelle diverse energie
Fisica e computing - Il ruolo delle simulazioni - L’attribuzione di
significato al “dato grezzo” ;l’esempio di Magic
Il mondo di Grid e di Condor; l’analisi dei dati suddivisa tra tutti i
computer collegati in rete e sparsi per il mondo
La composizione di tutte le informazioni in un quadro unitario di
osservazione; la necessità dell’unificazione; Modello Standard in
Cosmologia
Rapporto tra installazioni scientifiche avanzate e tecnologia; innovazione
ed industria; normative europee sulle produzioni e sulla sicurezza
Storia della collaborazione europea al Progetto Magic; un “luogo” di
crescita dell’Europa. Le collaborazioni scientifiche come “luoghi” di
crescita per una Scienza senza frontiere.
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Proposta per gli studenti
Tutte le attività proposte ai docenti permetteranno,
anche in questo caso, di sviluppare all’interno delle
classi interessate i contenuti scientifici del Progetto
stesso, che saranno successivamente condivisi on-line
su piattaforma appositamente realizzata. Il modello
che si intende seguire è quello indicato
dall’enciclopedia libera on-line Wikipedia
(http://it.wikipedia.org/wiki/Wikipedia).
Si intende, infatti, realizzare un ipertesto
che sarà via via arricchito con lo scopo di
entrare nel dettaglio dei temi scientifici
trattati.
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
20
Tutte le attività e gli approfondimenti
proposti svilupperanno:
un ambiente di sperimentazione
diretta mediante attività laboratoriali
 una metodologia didattica orientata
sia all’integrazione delle scienze sia
allo sviluppo della flessibilità strategica
nello studente.

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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
21
Il Via alla “prospettiva” Docenti avverrà
20 aprile alle ore 15.30
con la collaborazione dell’
Ufficio Scolastico Regionale del Veneto
e dell’ INFN – Sez.di Padova
-- presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Padova --
“Progetto Lauree Scientifiche (PLS)”
“Progetto Magic Didattico”
Programmazione di un percorso didattico
per Unità di Apprendimento a carattere
trasversale”
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Che cosa e’ gia’ stato nel 2009
MAGIC-D?
V.Scalzotto, E.Prandini
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Il Progetto MAGIC-D
a La Palma
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Il progetto MAGIC-D
a La Palma


Esperienza nata con l’intento di rendere accessibile esperimento di
frontiera a studenti di scuola superiore
Per toccare con mano che cosa significhi fare ricerca oggi
Le “opportunità” presentate da MAGIC:
 L’isola di La Palma (il “paradiso” dei telescopi)
 Contatto diretto con giovani ricercatori dell’esperimento
22 dicembre 2015
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
25
Il progetto MAGIC-D
a La Palma
-
8 giorni di esperienza nell’isola
2 tutors appartenti al gruppo di ricerca dell’esperimento MAGIC
(dott.ssa Elisa Prandini, PhD Villi Scalzotto)
Agenda: http://agenda.infn.it/conferenceDisplay.py?confId=1696
fase propedeutica: 5 gg. lezioni al CALP
seguiti da 3 gg. (o, meglio, 2 notti!) nel sito del telescopio

8 giovani studenti opportunamente selezionati



-
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
26
Selezione
Criterio 2009:
 Ultimo anno delle scuole superiori
 Media di presentazione all’esame di maturità
 Media dei voti delle materie scientifiche
 Tema svolto dal candidato sulle motivazioni personali
 Un ragazzo per ogni provincia del Veneto
(per il 2010 i criteri verranno concordati
con le scuole partecipanti al programma completo)
Comunicazione dei vincitori alle scuole e direttamente ai vincitori.
Incontro di presentazione dell’esperienza con gli studenti selezionati
prima della partenza.
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Attività

4 principali aspetti affrontati in maniera il più possibile
parallela:




Didattica – lezioni teoriche
Attività pratiche – esercitazioni sperimentali
Esperienza presso l’Osservatorio
Articolo – studio individuale di un articolo scientifico
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1. Lezioni teoriche
Lezioni mattutine presso il centro di ricerca CALP
Argomenti affrontati propedeutici alla salita al Roque (dove è situato
MAGIC). Dallo spettro di emissione allo spettro gamma della nebulosa
del Granchio, buchi neri e nuclei galattici, sciami atmosferici, tecniche di
separazione segnale/rumore, analisi dei dati, ecc…
Programma molto ambizioso, ma accessibile grazie a:
– Una severa selezione degli studenti
– Un attento adattamento dei contenuti a livelli appropriati
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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7/10/09
e.m. spectrum and
γ-rays
Cosmic
rays
The MAGIC
Telescope
The site
CCD technique
Atmospheric
showers
Hillas parameters
The island of La Palma
Calibration and
Image cleaning
Security issues
Spectrum
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“Horizons” in
Astrophysics
γ-h separation:
classification
method
Computing
PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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2. Esperienze Pratiche
Misura della distanza della Luna tramite triangolazione (foto della Luna e di una porzione di
cielo visto da diversi punti del pianeta collegandosi via Skype ad altri ricercatori a Barcellona e
in Estonia)
Misura del raggio del pianeta Terra effettuata osservando il Sole scendere al tramonto
Coffee break…con gli specchi del telescopio MAGIC (uno specchio da 1 mq)!
Separazione gamma/adrone (ovvero del segnale “buono” rispetto al rumore di fondo) fatta
riconoscendo le immagini degli sciami atmosferici, una ad una!
Notte di osservazione del cielo notturno ad occhio nudo
PRO:
Approccio efficace al Metodo Scientifico!
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
31
..a proposito di problem solving..
• Nelle esperienze pratiche (distanza della Luna, raggio della Terra,
presa dati del telescopio) conoscenza diretta della realtà della fisica
sperimentale…!
• Cattivo tempo atmosferico, errori hardware e software, errori
umani …
• “Non mi sarei mai aspettato che Fare Scienza significasse
scontrarsi con così tanti problemi e doverli risolvere senza una
procedura ben definita.. Per prendere dei dati non basta premere
un bottone!”
• “La fisica sperimentale è davvero emozionante! Bisogna osservare,
dedurre, ideare, verificare, ricorreggere il tiro e..ripartire!”
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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3. Osservatorio
3 giorni (2 notti) presso l’osservatorio del Roque de Los Muchachos
Condivisione degli spazi e dei tempi di una giornata tipo dei ricercatori
MAGIC data taking: 2 gruppi di 4 ragazzi (per questioni di sicurezza). Visita dettagliata del sito di MAGIC
con approfondimento sui diversi sottosistemi. Partecipazione alle procedure di avvio della presa dati nella
sala di controllo insieme ai ricercatori
• Visita ad altri telescopi, con incontro e
approfondimento al telescopio scandinavo
NOT
• Osservazione notturna del cielo ad occhio
nudo e con un piccolo telescopio ottico
(nella notte di San Lorenzo!)
PRO: lingua inglese - conoscenza dei
ricercatori - comprensione dell’esistenza di
diverse tecniche di osservazione a seconda degli
obiettivi astronomici - esperienza di che cosa
sia la fisica, come lavoro e come passione
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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4. Articoli di MAGIC
“Questo sarà il tuo articolo per
questa settimana…”
Articoli in lingua inglese
Assegnazione il primo giorno
Presentazione dell’articolo al resto
del gruppo previsto per l’ultimo
giorno
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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PRO:
-“Appena ricevuto non ci capivo davvero nulla. Ora qualcosa mi è molto più chiaro”
 “In questa settimana sono cresciuto!”
- Una buona metafora di che cosa significhi studiare all’Università!
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Strumenti di valutazione e
risultati ottenuti
Mappa mentale: prima attività didattica.
“Come percepisco l’Universo con i 5 sensi?”
Il primo lavoro condiviso dai ragazzi, per una valutazione del gruppo.
Risposta positiva: buona selezione del gruppo, apertura dei ragazzi, omogeneita’
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Verifica in itinere:
C.E.D.A.C. tecnica di valutazione in cui gli studenti
riportano,riorganizzandole,le informazioni chiave del giorno
Blog aggiornato quotidianamente
http://stagemagiclapalma.blogspot.com/search?updated-min=2009-0101T00%3A00%3A00-08%3A00&updated-max=2010-01-01T00%3A00%3A0008%3A00&max-results=1
• Verifica delle conoscenze acquisite dai ragazzi
e dei loro eventuali dubbi
• Occasione per studenti di fare mente locale
• Funzione di aggregazione e comunicazione in
tempo reale con chi era a casa
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Verifica finale prima del rientro
Verifica a posteriori:
valutazione scritta
degli studenti
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Risultati ottenuti: ragazzi
(Tratto dalla relazione finale dei ragazzi)
• Lingua inglese
• Contatto diretto con la fisica e il “fare fisica” reale
• Esperienza entusiasmante!
• “Non sono solo!”
• “Da grande voglio fare il fisico”!!
“Questa esperienza mi ha permesso di capire
che il fisico non è colui che sa tutto di tutto,
ma colui che sa cercare la soluzione ad un
problema”
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Risultati ottenuti
e ricadute positive
Esperienza positiva di interazione tra scuola e ricerca
Risonanza mediatica molto buona e diffusa nel territorio
Possibilita’ per gli insegnanti di arricchire la proposta didattica
Interesse espresso dagli altri gruppi stranieri appartenenti alla collaborazione MAGIC
Auspicabile che la cosa venga estesa ad altri esperimenti INFN
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Conclusioni
• Il progetto MAGIC-D e’ nato nel 2009 come risposta
all’esigenza di avvicinare il mondo della ricerca a quello
scolastico
• Durante questa prima fase pilota due tutors hanno
accompagnato per una settimana 8 studenti veneti neodiplomati all’isola di LaPalma dove si trova un centro di
ricerca in astrofisica e il sito del telescopio MAGIC
• L’esperienza e’ stata un vero successo!
• OGGI e’ iniziata l’estensione di MAGIC-D: in aggiunta
all’esperienza in situ, vogliamo avviare una collaborazione
con i docenti e le loro classi, che verranno coinvolti nel
corso dell’anno scolastico
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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BACKUP
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Costi
Circa 1000 euro / studente comprensivi di:
•
Viaggio aereo
•
Tutors
•
Noleggio 2 auto per spostamenti
•
Salita e discesa al Roque con minibus
•
Pernotti in hotel e osservatori, a mezza pensione
•
Visita ai vulcani
Per un totale di circa 15000 euro
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PLS, MAGIC-D, Incontro coi docenti
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Possibili aspetti trasversali:
Considerazioni sulla figura e il ruolo dell’osservatore scientifico;
Interazione dell’osservatore con l’ambiente esterno;
Analisi delle problematiche connesse alla scelta del sito
dell’osservatorio (dal punto di vista ambientale):
quali caratteristiche favoriscono questo tipo di osservazioni,
che cosa e’ necessario,
qual’e’ l’impatto sull’ambiente di queste installazioni,
quali possono essere le ricadute tecnologiche
Domini di conoscenza coinvolti:
fisica, geologia, ingegneria (ambiente, meccanica, elettronica)
Cherenkov radiation
The spectrum of the Cherenkov radiation is:
n: refractive index (1.00029)
: v/c
: 1/137 fine struct. constant

dN
1  1

 2 1 
 (  n) 2  
dld


(arbitrary units)
By considering the atmospheric absorption, the peak of the
distribution is around 350 nm.
Light emitted at 10 km
Light detected at 2 km
d2N/dxd  1/2
The atmospheric model
considers the following
density and index:
 (h)   0  exp( h / h0)
n  1  nh  1  0  exp( h / h0 )
Wavelength
December 22, 2015
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AGN unified model Schematic
December 22, 2015
47
Blazar properties
• Smooth, broad, non-thermal continuum (radio to g-rays)
• Jet beaming ( ~ o(10)) => strong flux amplifications
Modelling of highly relativistic shocks difficult
• Fast flux variations
BeppoSAX
‘97-’99
Self Synchrotron Compton (SSC)
very intense Synchrotron radiation
=> main target photons for Inverse
Compton scattering
•
Suzaku
‘06
MAGIC
‘06
The stereo reconstruction
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Integral sensitivity
Integral flux sensitivity (50h)
~5% of Crab E > 100 GeV
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