Università degli Studi di Genova
Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e
Naturali
TESI DI LAUREA IN FISICA
Studio ed ottimizzazione
delle prestazioni di un apparato
per la rivelazione di
Raggi Cosmici di Altissima Energia
dallo spazio
Roberto Pesce
Genova, 14 Luglio 2004
SOMMARIO
 Conoscenze e problematiche sui Raggi Cosmici di Altissima Energia
(UHECR) e sugli Extensive Air Shower (EAS), prodotti dagli UHECR
nell’interazione con l’atmosfera.
 L’Extreme Universe Space Observatory (EUSO), missione per la
rivelazione degli EAS dallo spazio attuamente in studio di fattibilità da
parte dell’ESA.
 L’EUSO Simulation and Analysis Framework (ESAF), strumento
indispensabile per lo studio e l’ottimizzazione del design dell’apparato
sperimentale.
 Ricostruzione della direzione di arrivo della particella primaria:
problematiche, tecniche e risultati.
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
2
ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC RAY
• Spettro (vd. figura)
1020 eV  16 J !!!
• Flusso basso:
1 particella  km 2  secolo -1  sr -1 @ E  1020 eV
(solo 20 osservazioni dal 1963)
= AGASA,
• = HiRes
I dati ricavati dagli esperimenti più recenti
(AGASA e HiRes) sono in disaccordo.
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
3
ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC RAY
• Su larga scala distribuzione angolare isotropa; su piccola scala si hanno alcuni
eventi raggruppati (esistono quindi sorgenti compatte?)
• La composizione degli UHECR non è nota.
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
4
ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC RAY
• Propagazione degli UHECR: interazione con la radiazione cosmica di fondo
Es.: per il protone
p   cmb    n 
p   cmb    p 0
L’energia di soglia è 71019 eV: ad energie maggiori si ha un cammino libero medio
(protone) di 50 Mpc; entro tale distanza non esistono sorgenti conosciute, dovrebbe esserci
una “soppressione” nello spettro energetico (GZK cut-off) nel caso che le sorgenti siano
distribuite in modo omogeneo.
Per i nuclei la lunghezza di attenuazione è 50 Mpc, per i neutrini 40Gpc.
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
5
ULTRA-HIGH ENERGY COSMIC RAY
• Due differenti classi di modelli per spiegare l’origine degli UHECR:
BOTTOM - UP
TOP - DOWN
accelerazione da parte
di oggetti astrofisici noti
nuovi oggetti e/o teorie
oltre il Modello Standard
• accelerazione stocastica • produzione da parte
(alla Fermi)
dei Topological Defects
• accelerazione diretta da • decad. di particelle
parte di campi elettrici
“relic” del Big Bang
con massa >> 1020 eV
non si conoscono sorgenti in
grado di accelerare particelle
ad energie così alte
difficile ripordurre i flussi
osservati; le predizioni
dipendono dai modelli
Segnatura sperimentale: i vari modelli prevedono
composizioni e distribuzioni angolari diverse per gli
UHECR.
ATTUALMENTE SI HANNO POCHI DATI SPERIMENTALI !!!
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
6
Extensive Air Shower
L’atmosfera terrestre è un gigantesco calorimetro: la rivelazione degli UHECR è
possibile per via indiretta tramite l’osservazione degli sciami atmosferici estesi .
In particolare si possono rivelare:
• le particelle secondarie (a terra)
• la luce di fluorescenza UV
• la radiazione Cherenkov
EUSO
L’osservazione è influenzata da
• Assorbimento (O3)
• Diffusione (scattering Rayleigh e Mie)
banda passante ottimale 330  400 nm
(trade-off con prestazioni dell’ottica)
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
7
Extreme Universe Space Observatory
Approccio osservativo:
• osservazione dallo spazio di luce di
fluorescenza e Cherenkov riflessa/diffusa
• un ordine di grandezza in più di
accettanza geometrica rispetto ai
rilevatori a terra (~105 km2 sr)
400 km
• grande massa di atmosfera
osservazione (~1012 ton)
30°
sotto
EECR
Tuttavia:
• segnale debole, anche se localizzato,
rispetto al background (~100 fotoni vs
flusso di ~500 fotoni m-2 ns-1 sr -1)
• necessario controllare costantemente le
condizioni atmosferiche
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
Atmosphere
Čerenkov
Fluorescence
230 km
Earth
Artist view
M.C.M. ‘02
8
Extreme Universe Space Observatory
Schema del rivelatore:
• ottica (2 lenti Fresnel) che focalizza
l’immagine dell’EAS
• ~ 2·105 canali
• granularità di 0.1º
• superfice focale (mosaico di PMT)
• elettronica e trigger (in fase di sviluppo)
• risoluzione temporale di 10 ns tra
due conteggi nello stesso pixel
Si hanno dei severi vincoli sulle risorse dovuti al
collocamento
sulla
Stazione
Spaziale
Internazionale:
• M  1.5 ton
• P  1.2 kW
• volume entro 2.5 x 2.5 x 4.5 m3
• flusso dati a terra entro 180 Mbit/orbita
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
9
Il mio lavoro di tesi
Nel mio lavoro di tesi mi sono concentrato sui seguenti aspetti:
 Sviluppo dello strumento ESAF per la simulazione e l’analisi dati
dell’esperimento, indispensabile in questa fase per lo studio e l’ottimizzazione
del design dell’apparato sperimentale, ancora in fase di studio e sviluppo.
 Sviluppo, implementazione ed ottimizzazione di algoritmi per la
ricostruzione della direzione di arrivo degli EAS, primo passo fondamentale la
ricostruzione dei parametri fisici dell’evento.
 Elaborazione di un metodo di clustering per la separazione del segnale dal
background.
 Studio della risoluzione angolare e dell’efficienza di ricostruzione
dell’apparato nella baseline attuale (importante per l’ottimizzazione delle
performance del rivelatore).
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
10
EUSO Simulation and Analysis Framework
Simulazione ed analisi end-to-end:
• generazione dell’EAS
• trasporto dei fotoni nell’atmosfera
• simulazione del detector (ottica, superficie focale, elettronica e trigger)
• ricostruzione dell’evento a partire dalla risposta del detector
Studio sistematico delle performance dell’apparato.
Ottimizzazione del design del rivelatore.
Caratteristiche generali di ESAF:
• linguaggio object-oriented (C++)
• uso librerie ROOT
• ampia flessibilità e modularità
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
11
EUSO Simulation and Analysis Framework
La simulazione di un evento:
Simulazione di uno sciame
Fotoni sulla superficie focale ideale
14 Luglio 2004
Simulazione del detector
Fotoni che hanno prodotto un conteggio
Roberto Pesce
12
EUSO Simulation and Analysis Framework
Esempi di sciami sulla superficie focale: (questo è ciò che “vede” la ricostruzione)
Sopra: E = 2·1020 eV, =75°
Sotto: E = 8·1019 eV, =45°
a sx solo segnale, a dx anche fondo (rate
di 0.5 fotoelettroni·pixel-1·µs-1)
1 hit;
2 hit;
3 hit;
4 hit
difficoltà a ricostruire: sup. foc. non uniforme, canali morti, PSF ottica, background, effetti di
bordo, sciami troncati al raggiungimento del suolo,…  necessari algoritmi efficienti
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
13
Ricostruzione
La ricostruzione è effettuata in base ai dati rilevati da un unico punto di osservazione
(cinematica degli EAS nota)  ulteriore difficoltà.
La ricostruzione della direzione di arrivo di un EAS si svolge in 3 fasi:
1.Estrazione della traccia significativa (algoritmo di clustering)
2.Individuazione del piano contenente lo sciame e il rivelatore (Track-Detector Plane)
3.Determinazione della direzione di arrivo dello sciame (angoli ,)
• istanti di tempo in cui ciascun pixel è colpito
A PARTIRE DA
• numero di hit in ogni pixel
• direzione osservata dai pixel nel campo di vista del rivelatore
Proprietà fisiche rilevanti per gli algoritmi di ricostruzione utilizzati:
• densità fotoni sulla sup. foc. diversa per segnale e background; segnale localizzato
• gli EAS si sviluppano entro ~15 km di altezza dal suolo: in prima approx si può fissare
l’altezza del massimo dello sciame
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
14
Ricostruzione
Clustering: (estrazione della traccia significativa dal background)
• sfrutta il fatto che il segnale è localizzato rispetto al fondo ed è coerente
nello spazio e nel tempo
• utilizza parametri calcolati a partire dalle proprietà del singolo evento
x
Ricostruzione del TDP:
• fit lineare analitico della proiezione della traccia su
un piano orizzontale
• fit della mediana, meno influenzato dagli outliers
rispetto ai minimi quadrati (mediana estimatore più
robusto della media)
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
15
Ricostruzione
E
max
FOV
Ricostruzione della direzione di arrivo:
• metodo approssimato: fit lineare della velocità angolare dello
sciame (supposta costante)
• metodo esatto: minimizzazione numerica 2 (differenza fra i tempi
di arrivo dei fotoelettroni teorici e misurati).
Rmax
Hiss
M

Hmax
R
O
• massimo dello sciame individuato in base al
pixel più colpito
• altezza del massimo fissata a 5 km e ricalcolata
con approssimazioni successive
• si tiene conto della sfericità della Terra
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
16
Risultati
La ricostruzione della direzione di arrivo di un EAS è il primo passo fondamentale
per la ricostruzione di tutti i parametri fisici e quindi per lo studio e l’ottimizzazione
delle prestazioni dell’apparato.
Ho analizzato un campione di 120 mila sciami simulati ad angoli ed energie
differenti.
L’errore nella ricostruzione è stato calcolato come distanza angolare tra la direzione
dell’EAS ricostruita e quella simulata.
Ho studiato in particolare la risoluzione angolare (l’errore entro il quale viene
ricostruito il 68% degli eventi) e l’efficienza di ricostruzione (% di eventi ricostruiti
rispetto a quelli simulati) in funzione dell’angolo di zenith e dell’energia.
Gli stessi sciami sono stati simulati sia senza il background, sia con il background
(con un rate di 0.5 fotoelettroni·pixel-1·µs -1). Il background reale è variabile per un
fattore ~3; il livello di fondo accettabile fissa il duty cycle; le prestazioni ottenute in
assenza di background rappresentano il limite superiore raggiungibile.
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
17
Risultati: risoluzione angolare
Senza background, metodo esatto
Senza background, metodo approssimato
Con background, metodo esatto
Con background, metodo approssimato
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
18
Risultati: efficienza
Senza background
Con background
N.B.: l’efficienza di ricostruzione non dipende dall’algoritmo utilizzato.
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
19
Conclusioni
• La ricostruzione è difficile, specie per sciami poco energetici e/o poco inclinati
rispetto alla verticale; ho elaborato dei metodi appropriati per ricostruire la direzione
di arrivo degli EAS.
• Il background influisce in maniera drastica sulle prestazioni, per eliminarlo ho
sviluppato un idoneo algoritmo di clustering.
• Ho contribuito allo sviluppo di un software per la simulazione e l’analisi dati in
EUSO, fondamentale per poter studiare le prestazioni del detector ed ottimizzarle,
implementando gli algoritmi citati.
• Ho studiato la risoluzione angolare e l’efficienza di ricostruzione in funzione
dell’energia e dell’inclinazione degli EAS utilizzando l’implementazione in ESAF di
questi algoritmi.
• I miei studi vengono ora utilizzati per capire le prestazioni ed i limiti dell’attuale
configurazione dell’apparato sperimentale, in fase di sviluppo, in relazione agli
obiettivi scientifici dell’esperimento, e per verificare se ed in quale direzione il design
di tale apparato vada migliorato.
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
20
Conclusioni
•In particolare si vede che:
 La risoluzione angolare non è del tutto soddisfacente: bisogna migliorare il
trigger? L’ottica? La pixel size?
 L’efficienza a basse energie non è del tutto soddisfacente: bisogna migliorare il
trigger? L’efficienza di rivelazione del sensore? Aumentare l’apertura dell’ottica?
Sviluppi futuri
• Perfezionamento degli algoritmi.
• Studio della risoluzione energetica.
• Studio delle prestazioni in funzione del rate di background.
• ……...
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
21
Schema generale di ESAF
14 Luglio 2004
Roberto Pesce
22