Il Progetto Pierre Auger
Daniel V. Camin
Dipartimento di Fisica dell’Universita’ e INFN, Milano
Iniziativa a livello internazionale per lo studio dei
Raggi Cosmici di Altissima Energia
UHECR: 10 19 eV - 10 21 eV
•Spettro di Energia
•Composizione
•Direzione
Collaborazione internazionale : ca. 250 ricercatori di 53 Istituti di 13 paesi
Due Osservatori, ciascuno di 3000 km 2
Progettati per 20 anni di operazione
Emisfero Sud + Emisfero Nord
Gia’ partito; verra’ completato entro il 2004
SIF 2001, Milano Bicocca
Spettro dei Raggi Cosmici
FLUSSI per UHECR:
¸ @ 1019eV: ~ 1/ km2.anno
¸ @ 1020eV: ~ 1/ km2.secolo
Per 3000 km 2:
@10 19 eV : 3000 eventi/anno
@10 20 eV : 30 eventi/anno
( in ciascun sito )
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Interazione con i fotoni fosili
Greissen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cut-off
3.10 20 eV
p+g2.7K---->p+p0
A+g2.7K---->(A-1)+n
50 Mpc
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Lo spettro alle energie estreme
13 eventi di E > 10 20 eV
Nuovi risultati nel ICRC ad Amburgo
E’ imprescindibile
migliorare la statistica !
Obiettivo di Auger
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Auger: un rivelatore ibrido
• Due tecniche di rivelazione indipendenti
-Rivelatore di Superficie (SD) e
-Rivelatore di Fluorescenza (FD)
• Il FD registra lo sviluppo
longitudinale dello shower, Nch(X)
• Il sito e’ a 1400 m
( massima densita’ di particelle )
• Il SD registra il momento di arrivo
del fronte dello shower.
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I rivelatori SD e FD
1) Rivelatore di Superficie: Cerenkov ad acqua
• 100% duty cycle
• permette la determinazione di:
-asse dello shower
-massa del primario
2) Rivelatore di Fluorescenza:
• 10% duty cycle
• Misura calorimetrica
• Permette la determinazione del profilo longitudinale
3) Per il 10 % del tempo: Rivelatore ibrido
• Due misure indipendenti dello stesso sciame
• Intercalibrazione di entrambi I rivelatori
• Determinazione indipendente della massa del primario
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Il Sito Sud
• Malargue, Provincia di
Mendoza , Argentina
• 3000 km2, 1400 m altezza
( 875 g cm -2 )
• 1600 rivelatori di superficie
Cherenkov ad acqua spaziati
1.5 km.
• 4 rivelatori di fluorescenza:
30 telescopi ciascuno con un
copertura di 30o x 30o FOV
65 km
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Auger in Lombardia ...
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Il rivelatore di Superficie
• Spaziati 1.5 km
• Alimentati mediante panelli
solari
• Tempo absoluto via GPS
• Sistema di comunicazioni tipo
telefonia cellulare
• 10 m2, 1.2 m profondita’, 3 PMTs, • Elettronica di front end,
trigger , slow control ,
40 MHz FADC
• Segnale integrato viene espresso in trasmissione dati, GPS
progettata per 20 anni di
termini di muoni verticali
operazione.
equivalenti, vem (1 vem ~ 100 pe)
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Un modulo del Rivelatore SD
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Rivelatore di Superficie
1019eV proton
• Il rivelatore di superficie, misura i muoni, electroni e gamma
dello sciame.
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Risoluzione angolare del SD
E > 1019eV
q (deg)
Proton/Iron
E>1019eV
E>1020eV
Photon
E>1019eV
20o
1.1o
0.6o
4.0o
40o
0.6o
0.5o
2.5o
60o
0.4o
0.3o
1.0o
80o
0.3o
0.2o
1.0o
space angle containing 68% of events
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Risoluzione del SD
L’energia viene determinata fittando densita’ a 1000m, r(1000). I fattori di
conversione sono determinati mediante simulazioni, promediati per protoni e Fe.
E > 1019 eV.
Iron
Proton
photon
rms E resolution ~12% (mix p/Fe)
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Apertura e rate di eventi del SD
Eo (eV)
Trig Aperture
km2sr
Rate per year
> Eo
1018
0
0
3x1018
2200
15000
1019
7200
5150
2x1019
7350
1590
5x1019
7350
490
1020
7350
100
2x1020
7350
30
• Zenith < 60o, based on AGASA spectrum (Takeda et al 1998)
• (Zenith > 60o adds about 50% to event rate)
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Il Rivelatore di Fluorescenza
• 5 “occhi”
• 6 telescopi / occhio
• 30o x 30o FOV/telescopio
• 440 PMTs per Camera
• 1.5o x 1.5o PMT’s FOV
• 13200 canali di elettronica/
sito.
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Apertura, camera, specchi
Apertura Schmidt e Camera
Camera e specchi
(3.8m x 3.8m )
del primo prototipo
o
o
Camera: 440 pixels, 30 x30
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Edificio del FD
2 telescopi coprono il
”engineering array”
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L’edificio del FD a Los Leones
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Camera e Specchio del prototipo
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La elettronica analogica del FD
Distribution Board:
• Routes HV/LV to PMT+HE
• Routes Test pulses to the HE
Analog Board
Distribution Board
Digital
Board
TP Enable
• Provides fuses to LV lines
• differential -to– single-ended
conversion
#1 ... #11
Test Pulse
HE test pulse
Head Electronics:
• PMT Active Bias
11
channels
Gain control
Antialiasing
filter
PMT
G
Bias Net &
Cur r .M on.
• Test-Pulse input
• Sensitive measurement of
the background light (CM),
Head Electronics
DB
1
2
• equalize PMTs gain
• adapt dynamic range to 15 bit
TP for SLT
• Differential signal driver
Analog Board:
• provides antialiasing filter
FADC
Normal Channel
• generate test pulses to the HE
• generate test patterns to test
SLT
OR/SUM
x1
FADC
11
Virtual channel
• reads out the CM signal
V+, V-, Gnd
HV/LV Power Supply
:
• Modular system for 6 bays
• 1 Crate with HV and LV
modules
•Remotely controlled
Anode current readout
LVPS
HV +, Gnd
HVPS
#1
to # 11
Serial link
to FPGA
Gnd ref
Sigma-Delta ADC
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Elettronica dei PMTs ( HE)
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La Base attiva per i PMT’s
•
•
•
•
•
•
Identical distribution of potentials:
(3, 1, 1.., 1.25, 1.75, 1.25)
Biasing voltage on PMT = 900 V
Current and Power Dissipation
Passive: 273 mA , 246 mW
Active: 145 mA , 131 mW
Temperature independent
Same noise
Lower power implies savings in
HVPS cost
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Tracking stars
Vega traversing the camera’s FOV
The current monitor:
• An extremely sensitive
System for sky background
light measurements
• Fifth mag. stars are clearly
seen after the UV filter.
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Primo sciame di alta energia
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Risposta del FD a un impulso Laser
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Layout del Sito Sud
• La ricostruzione ibrida si puo’ fare
quando l’evento e’ dal SD e almeno
da 1 telescopio.
• L’utilizzo di 4 “occhi” permette
rilassare la accuratezza nella
conoscenza della attenuazione
atmosferica della luce.
• Il parametro d’impatto medio a
1019eV e’ di 13km
= “Occhio” di Fluorescenza
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Ricostruzione dell’asse dello shower
• Il FD determina il piano sciame-rivelatore che
contiene l’asse dello sciame e l’occhio
• Il vettore normale al piano e’ noto con una
accuratezza di ~ 0.2o
• Per estrarre Rp e y, l’occhio deve misurare la
velocita’ angolare w e la sua derivata, dw/dt
Pero’ dw/dt e’ difficile di misurare
– La misura del tempo di arrivo del fronte dello
shower fatto dal SD facilita notevolmente la
determinazione di dw/dt
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Ricostruzione Ibrida (Cont.)
• Simulazioni a 1019eV
• Ricostruzione del parametro d’impatto Rp. Notevole
miglioramento mediante la ricostruzione ibrida.
Solo FD
Ibrido
median
Rp error = 350m
(strong
dependence on
angular “Track
Length”)
median
Rp error = 20 m
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Apertura Rivelatore Ibrido
Efficenza del
trigger ibrido
Efficenza
“Stereo”
• Da notare la apertura significativa a 1018eV, e la apertura stereo a piu’ alte
energie.
•
•
Richiesta al Trigger : al meno un occhio triggera con una lunghezza di traccia di
6 gradi; due rivelatori SD. q < 60o
Apertura Ibrida = Efficenza del Trigger Ibrido x 7375 km2sr
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Ricostruzione Ibrida
(Simulazione: Bruce Dawson)
E(eV)
Ddir (o)
DCore (m)
DE/E (%)
DXmax
g/cm2
1018
0.7
60
13
38
1019
0.5
50
7
25
1020
0.5
50
6
24
Solo errore
statistico
Angolo
zenitale
< 60O
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Conclusioni
• La caratteristica saliente dell’ Osservatorio Pierre Auger è l’utilizzo di tecniche
ibride: Rivelatori di Fluorescenza e di Superficie.
• La costruzione di Auger Sud è a buon punto:
–
–
–
–
–
–
Il primo edificio per il FD a Los Leones è operativo dal Maggio 2001
Il secondo edificio, a Cohiueco, è in completamento.
La costruzione del terzo edificio comincerà alla fine del 2002
La stazione di assemblaggio dei rivelatori SD è operativa dal 2001
L’edificio centrale è stato inaugurato a Novembre del 2001
Attualmente sono operative 40 tanks SD e due telescopi FD.
• La risposta a laser shots e il transito di stelle nel FOV sono stati visti con il FD.
• Le prime coincidenze fra tanks SD e telescopi del FD la relativa trasmisione dati
verso il CDAS sono stati verificati con successo.
• Da Dicembre 2001: raccolti 77 eventi ibridi, nel range 1018 eV÷3×1019 eV.
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