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. Cosa sono i Raggi Cosmici ?
2. Da dove provengono ?
3. Come sono prodotti ?
4. Qual’è la loro energia ?
5. Come si studiano ?
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
i Raggi Cosmici ?
elettrone
I raggi cosmici sono nuclei di atomi
di materia ordinaria:
~ 90% Idrogeno
~ 9 % Elio
~ 1 % tutti gli altri nuclei
nucleo (protoni + neutroni)
L’atomo piú comune nell’ Universo é l’atomo di Idrogeno.
Il suo nucleo é costituito da un protone.
Da dove vengono i Raggi Cosmici ?
L’identificazione delle sorgenti di R.C. è correlata con la loro energia
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’energia dei Raggi Cosmici
Nello studio dei R.C. si utilizza l’elettron-volt (eV)
• Ma quanta energia è 1 eV ?
1 eV = 1.6 · 10-19 J
1 eV/c2 = 1.8 · 10-36 Kg
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
Che energia hanno i Raggi Cosmici ?
Si utilizzano multipli dell’elettron-Volt
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
raggi X
2 x massa emassa protone
LHC
I R.C. sono particelle con energie che vanno dai milioni di eV
(MeV) fino a 100 miliardi di miliardi di eV (1020 eV) !!!!
Lo “Spettro” dei Raggi Cosmici
1 p/(m2sec)
Knee
1 p/(m2y)
1 p/(km2y)
Fino a 1020 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?
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’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.
Raggio Cosmico
primario
Caratteristiche degli EAS
atmosfera
fronte dello sciame
~20ns

asse
curvatura
t
L
tg 
t
~2ns

core
L
Griglia di
rivelatori
Cosa contengono gli sciami ?
Produzione di p0
Protone (o nucleo) primario
interagisce nell’atmosfera
Decad.
del p0
Produzione di nucleoni
Produzione di mesoni p +/p Decadimento p + m + n
1
2
3
Decadimento m+ e+ n n
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…!
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 !
Effetto GZK
(Greisen-Zatsepin-Kuzmin)
CR Energy spectrum
•Above 1020 eV we expect a cut-off
(GZK mechanism)
• CR with energy in excess of 1020 eV
have been detected
P
γ3K
Δ
Ｎ
π
• Sources and acceleration mechanism for
UHECR production (E >1019 eV) are
unknown
• Sources must be < 50 Mpc !!!
Greisen-Zatsepin-Kuzmin
Supression: Photo-production of
pions from CMBR
The Ultra-High Energy Cosmic Ray
(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.
Typical Event
The AGASA Experiment
111 surface electron detectors of 2,2 m2
area
Covered area 100 km2
0
4km
HiRes Array (Utah)
67 Fly’s eyes detector
1,5 m diameter
The Auger observatory
Argentina
TA is an Hybrid Detector (Utah)
A
T
Full array will consist of
576 detectors on 1.2 km
grid (approximately 20
km × 30 km)
Correlated 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 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 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
Lavorare con le 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
Raggi Cosmici esista o meno !
Lavorare 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 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 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 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 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.
EEE MRPC
The main characteristics of the
detector are very good time
resolution and good tracking
performances
Three MRPC chambers form a
telescope that can reconstruct
the trajectory of cosmic muons in
a shower
Gli MRPC di EEE
Multigap Resistive Plate Chamber
• Miscela di gas densi e veloci = 95% C2H2F4
5% SF6
• 6 gap da 300 mm
• 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
Typical 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)
Prima fase:
studenti e insegnanti di 7
città italiane trascorrono
una settimana ai laboratori
del CERN di Ginevra per
costruire gli MRPC
maggio-luglio 2005
Despina Hatzifotiadou
Studenti e insegnanti
lavorano al fianco dei
ricercatori…
…in un ambiente
internazionale
Jin Sook Kim
maggio-luglio 2005
Trasporto eccezionale dal
CERN…
Dicembre 2005
…alle 7 città italiane
Ginevra
Torino
Bologna
LNGS
Lecce
Cagliari
Catania
Dicembre 2005
Riprende la costruzione al CERN
Gennaio 2006
Cosa succede
intanto nei 7 siti
italiani?
INFN educational : seminari
•
•
•
•
•
•
Le particelle elementari
Il modello standard
La radiazione cosmica
I rivelatori di particelle
Elettronica digitale
Aquisizione dati
INFN educational:
corso pratico
Costruzione di un
MRPC
Febbraio – maggio 2006
Test e misure
Febbraio – maggio 2006
Liceo B.Touschek – Grottaferrata (RM)
First EEE site
2006 May 30
Sito EEE di Frascati
LNF
96 studenti
15 insegnanti
in attesa delle prime coincidenze