Piccolo Manuale
Operativo
Guida alla manutenzione del rivelatore
EEE
Istituto Tecnico Settore Tecnologico ―E.Fermi‖ - Frascati
Premessa
Il progetto ―Extreme Energy Events—La scienza nelle scuole‖ è stato avviato nel
2004 ed è divenuto attività dell’Istituto nell’A.S. 2007/2008 con l’inaugurazione
del Laboratorio di Raggi Cosmici. Il Progetto è finalizzato alla rivelazione di muoni
ad altissima energia derivanti dall'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera. Si
avvale di tecnologia CERN e della direzione scientifica da parte dell'INFN e del
Centro Fermi.
Tutte le fasi del Progetto, dalla costruzione del rivelatore alla sua messa in funzionamento alla raccolta dei dati, sono state realizzate con la partecipazione attiva di
decine di studenti, perlopiù provenienti dal corso FASE, che si sono avvicendati
nel corso di questi anni.
Questo opuscolo, redatto da Francesco Bramonti, Davide D‘Angelo, Chiara Ruberti e Fabio Sampaolo, vuole fornire una guida essenziale alla gestione ordinaria
del sistema di rivelazione; esso è destinato a tutti coloro (studenti e docenti) che
vorranno interessarsi a questo esperimento scientifico, nell‘ottica di realizzare
nuove e motivanti ricerche ed elaborazioni.
All‘opuscolo è allegato un CD che raccoglie i materiali prodotti da me e dal prof.
Ilario Dondarini per la formazione di base sull‘esperimento e i documenti più significativi sulle attività svolte e sui risultati di ricerche on-line finalizzate ad approfondimenti.
In tutti questi anni siamo stati assiduamente e pazientemente seguiti dalla prof.ssa
Silvia Miozzi dei Laboratori INFN di Frascati; oltre ad intervenire nei momenti
critici di funzionamento del sistema, è stata una preziosa fonte di suggerimenti didattici e la promotrice di attività di formazione per gli studenti: a Lei i nostri ringraziamenti.
Ringraziamo anche, per il sostegno all‘iniziativa, i Dirigenti Scolastici che si sono
succeduti nel tempo, da ultimo l‘attuale Dirigente prof. Carmine Giammarini.
Nicoletta Lupino
Frascati, 20 maggio 2014
2
Indice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
I RAGGI COSMICI
LO SVILUPPO DELLO SCIAME
IL SISTEMA DI RIVELAZIONE MRPC
STRUTTURA DELLE CAMERE
L‘ ELETTRONICA DEL SISTEMA
PROCEDURE DI MANUTENZIONE
PROCEDURA OPERATIVA :CONTROLLO DELLE SCATOLE DI CONVERSIONE
8. PROCEDURA OPERATIVA : CONTROLLO DELLE SCHEDE DI FRONTEND:
9. COME AGIRE NEL CASO IL SEGNALE SULL‘OSCILLOSCOPIO SIA ASSENTE DOPO UN BLACKOUT
10. ACQUISIZIONE DEI DATI
11. VISUALIZZAZIONE CON ISTOGRAMMMA
12. VISUALIZZAZIONE CON LE TRACCE
Allegati
1.
2.
3.
GLOSSARIO DEI RAGGI COSMICI
FOGLIO DI CALIBRAZIONE DEI GAS
SCHEDE DEI GAS
3
I raggi cosmici
I raggi cosmici sono particelle cariche molto energetiche, provenienti dalle zone
più remote dello spazio, che bombardano continuamente la Terra da ogni direzione. Sono costituiti di elettroni, nuclei atomici, soprattutto di idrogeno, e di fotoni
di alta energia.
A seguito degli urti con gli atomi dell‘atmosfera, queste particelle si moltiplicano
in un processo a catena dando luogo ad una cascata di particelle secondarie che
si muovono verso il suolo con una traiettoria quasi parallela a quella del raggio
cosmico primario. L‘insieme di tutte queste particelle prodotte nell‘atmosfera costituisce uno sciame, che può raggiungere il numero di diversi milioni di particelle
distribuite su aree molto vaste che possono arrivare a diversi km2
I raggi cosmici provengono dal Sole, dalle supernovae e da altre sorgenti non ancora identificate della nostra galassia. Ma possono giungere anche da più lontano.
In particolare lo studio dei raggi cosmici può fornire preziose informazioni sulle
prime fasi dell‘evoluzione dell‘Universo.
Al livello del suolo, lo sciame è sostanzialmente fatto di:
- adroni (che possono dar luogo a interazioni forti, deboli o elettromagnetiche),
tra i quali troviamo i nucleoni, ossia i barioni stabili (protoni) o con lunghissima
vita media (neutroni), nonché alcune altre particelle non stabili ma non ancora
decadute perché prodotte in prossimità del suolo, come i mesoni π e K;
elettroni e fotoni, anch‘essi stabili (che possono interagire elettromagneticamente
o anche, nel caso dei soli elettroni, debolmente);
- muoni, simili agli elettroni ma più massivi e penetranti, non stabili ma con vita
media sufficientemente lunga, che derivano per lo più dai decadimenti dei mesoni π e K;
- neutrini, particelle stabili prive di carica elettrica, capaci di interagire solo debolmente, che sono le particelle più penetranti finora conosciute.
Sono proprio i muoni a costituire la componente più importante tra le particelle dotate di carica elettrica presenti nello sciame al livello del suolo. La rivelazione di questi muoni cosmici, che trasportano un‘essenziale informazione
sulla configurazione dello sciame (apertura angolare, molteplicità, energia, punto di produzione) costituisce l‘obiettivo dell‘esperimento EEE:
scuole distanti diversi km vengono messe tra loro in “coincidenza” per studiare i
grandi sciami di altissima energia.
4
Lo sviluppo dello sciame
5
SISTEMA DI RIVELAZIONE MRPC
Principio di funzionamento
Nell‘attraversare un gas, una particella dotata di carica elettrica lascia una
scia di cariche elettriche in virtù del fenomeno detto ―ionizzazione‖. Infatti
vi è una certa probabilità che la particella, che chiameremo ―particella incidente‖, urti un atomo (o molecola) del gas e che da quest‘ultimo salti fuori
un elettrone con carica negativa. L‘atomo (o molecola) è inizialmente neutro, ossia con carica elettrica totale nulla, per effetto della compensazione
di tutte le cariche elettriche presenti al suo interno: le cariche elettriche
positive nel nucleo (i protoni) e quelle negative della nuvola di elettroni
che si trova intorno al nucleo. Avendo perso un elettrone in seguito all‘urto, l‘atomo (o molecola) diventa uno ione con carica positiva. La particella
incidente ionizza vari atomi (o molecole) lungo il suo percorso e genera
così una scia di cariche. Il fenomeno è di natura elettromagnetica e non avviene se la particella incidente è priva di carica elettrica.
Le cariche elettriche generate nel gas all‘interno del condensatore si muovono verso le armature del condensatore: gli elettroni verso l‘armatura carica positivamente (detta anodo), gli ioni positivi verso l‘armatura carica
negativamente (detta catodo). Il movimento di queste cariche verso le armature è all‘origine del segnale elettrico indotto sulle armature. È questo
segnale elettrico che viene usato per rivelare il passaggio della particella.
6
STRUTTURA DELLE CAMERE
.Il telescopio è composto da tre camere MRPC(Multigap Resistive Plate Chamber ) ,un sistema molto sofisticato per la rivelazione dei raggi
cosmici, ognuna delle quali presenta la seguente struttura a sandwich:
•
due piani esterni di elettrodi metallici che hanno la forma di strisce
(strip) longitudinali, ciascuna lunga 1.6 m e larga 34 mm ;
•
una coppia di vetri resistivi, cui è applicata una alta tensione, posta
tra i due piani;
•
all’interno un insieme di lastre di vetro intervallate da strati di gas
( gas gap);
7
ELETTRONICA DEL SISTEMA
Ogni strip è connessa, a ciascuna delle sue estremità, con un sistema elettronico di lettura e di acquisizione del segnale. La differenza in tempo tra i
segnali ai due estremi di ogni strip produce la coordinata longitudinale del
punto d‘impatto, con una precisione di circa 1 cm. Tramite la misura della
posizione dei tre punti d‘impatto (uno per piano) è quindi possibile ricostruire la traiettoria rettilinea della particella che ha attraversato il tele-
Per la lettura e l‘acquisizione dei dati, a ogni telescopio è associata una catena
elettronica costituita da:
i) un sistema detto di front end, per l‘amplificazione e la discriminazione dei
segnali forniti dagli elettrodi di readout dei rivelatori MRPC;
ii) un sistema detto di conversione, per la digitalizzazione delle informazioni
acquisite;
iii) un sistema detto di trigger, per la selezione delle particelle. La catena elettronica è connessa con un calcolatore tramite un‘opportuna interfaccia. Il calcolatore è posto in rete (Internet).
Il telescopio inoltre è dotato di un sistema GPS per la sincronizzazione della
scala temporale del rivelatore (tempo locale) rispetto all‘UTC(Universal Coordinated Time); in questo modo i rivelatori posti nelle diverse scuole possono
individuare eventi cosmici provenienti dallo stesso sciame.
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PROCEDURE DI MANUTENZIONE
Il telescopio MPRC necessita di una opportuna procedura di manutenzione periodica al fine di garantirne il corretto funzionamento.
La procedura di manutenzione può essere suddivisa in tre fasi:
-la prima viene effettuata controllando visivamente le parti del telescopio,
-la seconda comporta l‘uso di strumenti per il controllo di vari parametri
- la terza serve a verificare il corretto funzionamento del programma di
acquisizione dati.
Strumenti necessari: Multimetro, Termometro
Procedura visiva
La prima operazione da effettuare
in assoluto è controllare che sia presente il segnale sull‘oscilloscopio,
come mostrato nella foto. Nel caso
fosse assente, consultare il paragrafo
―Problemi di segnale‖.
Successivamente:
- Controllare che la temperatura sia
di circa 25°C (in caso contrario
azionare il condizionatore).
-Controllare che le percentuali di
miscelazione del gas mostrate dal
display del miscelatore corrispondano con quelle riportate sulla
scheda dei gas ( vedi Allegati)
-Controllare che il
―bubbolatore‖ (una fiala contenente
in liquido che si trova al lato destro
del telescopio) ―bubboli‖, ossia manifesti bolle. Nel caso il gas fosse esaurito, chiamare l‘Assistenza.
-Controllare che i 3 alimentatori
(posti sulla seconda camera del telescopio) segnino la tensione di 4V.
9
PROCEDURA OPERATIVA :
CONTROLLO DELLE SCATOLE DI CONVERSIONE
Per evitare di usare alimentatori ad alta tensione, vengono impiegati dei
convertitori da bassa ad
alta tensione. La tensione
di lavoro delle camere
che fornisce una buona
efficienza di rivelazione è
situata intorno ai 16000
Volt
-Selezionare sul multimetro la tensione continua e
inserire l‘apposito puntale
nelle scatole di conversione e verificare che:
-le scatole presenti sui i
vertici della camera più
in basso (che converte
1:1000) diano il valore di
circa 7V (che sarà convertito in 8000V e quindi
manterrà la camera a un
ddp di 16KV ai capi della
camera.).
-le scatole presenti sui i
vertici della camera in
mezzo e quella in alto
(che convertono 1:2000)
diano il valore di circa
4V (che sarà convertito
in 8000V e quindi manterrà la camera a un ddp
di 16KV tra i capi della
camera.).
10
PROCEDURA OPERATIVA :
CONTROLLO DELLE SCHEDE DI FRONT-END
Le schede di front-end, due per ogni camera, trasmettono gli impulsi di tensione all‘elettronica di sistema; si trovano sui lati più corti della camera l
La misurazione va effettuata sempre in tensione continua. posizionando i
puntali nel modo illustrato in figura e verificando che il valore sia compreso
nel range 2– 3 V.
ROSSO = POSITIVO
NERO = NEGATIVO
Procedura operativa :
Controllo del programma di acquisizione dati
E‘ importante che l‘acquisizione dati sia continua e che
raccolga e memorizzi tutti i dati che poi verranno elaborati. Verificare che il computer sia acceso e che il programma di acquisizione dati sia accesso.
Al termine di tutte le procedure riportare sinteticamente gli esiti sul diario di bordo.
Se si vuole registrare analiticamente tutti i controlli usare
la Scheda di Rilevazione (Allegati)
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COME AGIRE NEL CASO IL SEGNALE SULL’OSCILLOSCOPIO
SIA ASSENTE DOPO UN BLACKOUT
Spesso dopo un blackout l‘alimentatore delle schede di front-end può andare
in standby facendo sì che il segnali provenienti dal telescopio non vengano rivelati. Dopo aver effettuato la consueta procedura di manutenzione provare a
risolvere il problema nel seguente modo:
Sull‘alimentatore delle schede di front-end premere il pulsante rosso on/off ,
in questo modo le schede verranno alimentate e il segnale dovrebbe riapparire.
Alimentatore
schede front-end
Pulsante standby
Alimentatori camere
Nel caso il segnale non riappaia provare
ad agire sull‘alimentazione delle tre camere:
Portare i potenziometri della tensione
di tutti e tre gli alimentatori ad inizio
corsa.
Premere il pulsante rosso di standby( il
led accanto passerà da acceso a spento)
Riportare la tensione a 4V ruotando i
potenziometri della tensione lentamente (effettuare questa operazione su tutti e tre gli alimentatori).
Misurare la tensione ai capi delle camere attraverso le scatole di conversione
poste ai lati delle camere e verificare
che dopo la conversione le tre camere
siano a una ddp di 16KV.
Potenziometro tensione
Pulsante standby
Nel caso che, anche dopo questa procedura il segnale continui ad essere
assente ,chiamare l‘ Assistenza.
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ACQUISIZIONE DEI DATI
APRIRE il file "EEE data acquisition"
COMPARIRA QUESTA finestra
CONTROLLARE "min events per run"=100000
SPUNTARE "auto restart"
CONTROLLARE "runs" =0
PREMERE START.
N.B. L'ACQUISIZIONE DEVE ESSERE SEMPRE ATTIVA.
13
VISUALIZZAZIONE CON ISTOGRAMMMA
APRIRE "EEE Histogram Builder"
COMPARIRA una finestra
CONTROLLARE le
spunte "all events" ed
"animate"
SCEGLIERE IL FILE BINARIO (.bin) DA VISUALIZZARE CLICCANDO la cartella in
basso al centro.
COMPARIRA un esplora risorse
SCEGLIERE IL FILE .bin
CERCATO NELLA DIRECTORY "eee_data"
PREMERE RUN.
AL TERMINE DEL
PROCESSO, PREMERE
"EXIT"
Risultato della procedura
14
Visualizzazione con le tracce:
Per visualizzare le tracce occorre prima convertire i file.bin
APRIRE il file "EEE pulse width
converter"
COMPARIRA‘ QUESTA finestra
CONTROLLARE "output for"=
WINDOWS
SPUNTARE time(ns)
SELEZIONARE il file .bin da convertire CLICCANDO LA CARTELLA IN ALTO A DX DELLA
SCHERMATA
COMPARIRA QUESTA finestra
SELEZIONARE LA DIRECTORY
"eee_data" poi SELEZIONARE LA
CARTELLA che contiene il file da
convertire e SCEGLIERE IL CORRISPONDENTE FILE .bin
PREMERE RUN.
AL TERMINE DEL PROCESSO,
PREMERE "EXIT"
15
Visualizzazione con le tracce:
Conversione dei file.bin
ATTENZIONE!!! il file
convertito presenta
delle informazioni INCOMPATIBILI (in blu)
con i visualizzatori,
QUINDI: APRIRE IL FILE E CANCELLARE I
CARATTERI SUBITO
PRIMA L'INIZIO DEI
DATI
Il risultato deve essere
16
Visualizzazione con le tracce
APRIRE "EEEViewer.jar"
COMPARIRA‘ una finestra
INGRANDITELA
CLICCANDO il tasto
blu centrale in alto a dx
CLICCARE IN ALTO A
SINISTRA "file",
POI "open file"
COMPARIRA ‗una finestra
DA "risorse del computer" APRIRE "C:/
eee_data/", SCEGLIERE
la cartella contenente
IL FILE DI TESTO .txt
GIA CONVERTITO E
SELEZIONARLO, PREMERE "APRI"
NAVIGARE con i tasti
adiacenti PREVIOUS ed
NEXT
17
Visualizzazione con le tracce
18
Allegati
1.
2.
3.
4.
Glossario dei Raggi Cosmici
Foglio di calibrazione dei gas
Schede dei gas
CD “ 10 anni del Progetto EEE “
19
Un Glossario per i Raggi Cosmici
A.G.N.
Le AGN (Active Galactic Nucleus, nuclei galattici attivi) sono galassie attive, ossia
dove una frazione dell‘energia viene emessa da oggetti differenti dai normali componenti di una galassia (stelle, polveri e gas). I riferimenti al nucleo sono motivati
dal fatto che le galassie di questo tipo sembrano essere alimentate da una regione
compatta posta appunto al loro centro.
Acceleratore di particelle:
L‘acceleratore di particelle è una macchina il cui scopo è quello di produrre fasci
di ioni o di particelle subatomiche con elevata energia cinetica.Vengono utilizzati
principalmente per scopi industriali (sterilizzazione), medici (produzione di isotopi
radioattivi), per studiare la struttura dei materiali o per scopi di ricerca nella fisica
delle particelle (un fascio di particelle che possiedono elevate energie cinetiche
permette di sondare oggetti di dimensioni molto piccole). I metodi per accelerare
le particelle sono basati sull‘utilizzo di campi elettro-magnetici; il campo elettrico
fornisce energia alle particelle, accelerandole, mentre il campo magnetico permette di curvarne la traiettoria (negli acceleratori circolari) o di correggere dispersioni spaziali e di impulso dei fasci accelerati.
Antimateria
Speculare alla materia ma costituita da antiparticelle, ossia da particelle elementari
che, per certi aspetti, possono essere considerate le immagini speculari delle particelle che formano la materia ordinaria. Le antiparticelle sono in generale uguali
alle corrispondenti particelle in tutto, tranne che per determinate proprietà fisiche, che risultano opposte (la più comune di queste è la carica elettrica).
Ad esempio, la particella di antimateria corrispondente all'elettrone è il positrone,
che differisce dall'elettrone solo perché possiede carica elettrica positiva.Viceversa l'antiparticella del neutrone (antineutrone), privo di carica, si distingue dalla
particella ordinaria per il segno del momento magnetico (una proprietà che determina il comportamento elettromagnetico della particella). In generale, tutti i
parametri che descrivono le proprietà dinamiche delle particelle elementari, come
la massa e il tempo di decadimento, sono identici per particella e antiparticella.
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Un Glossario per i Raggi Cosmici
Big Bang
Modello cosmologico che descrive l‘origine dell'universo come una gigantesca
esplosione a partire da una singolarità, un punto infinitamente denso e caldo dello
spazio-tempo. Il modello descrive tutto ciò che si ritiene possa essere accaduto a
partire da 0,0001 s dall‘istante iniziale: come da una massa informe di energia possano aver preso forma a poco a poco tutte le particelle costituenti la materia – e
l‘antimateria – e come lo spazio-tempo possa essersi espanso in un processo di
dilatazione che continua tuttora.
Il modello del Big Bang fu formulato a partire dagli anni Venti del Novecento,
quando dalle equazioni della relatività generale di Albert Einstein apparve evidente
che l‘universo non è un sistema statico, ma dinamico. Il primo a fornire una teoria
di universo in espansione fu l‘astronomo belga Georges Lemaître; seguirono i
contributi di Aleksandr Fridman, Edwin Hubble, George Gamow e Stephen Hawking, che portarono alla costruzione del modello attuale. Fu Fred Hoyle, tuttavia,
principale oppositore dell‘idea di universo dinamico, a coniare il nome di Big Bang
(in inglese “grande colpo”) con intenzioni denigratorie.
La teoria del Big Bang trova importanti conferme sperimentali nel fenomeno dello
spostamento verso il rosso della luce proveniente da galassie lontane e in quello
della radiazione cosmica di fondo, il residuo dell‘energia presente negli istanti iniziali della grande ‖esplosione‖; lascia tuttavia importanti questioni aperte inerenti
l‘origine delle galassie e le sorti ultime del processo di espansione. Riguardo a
queste ultime, le ipotesi sono tre: potrebbe essere che lo spazio-tempo sia destinato a dilatarsi indefinitamente (ipotesi di universo aperto); oppure che debba
esaurire un giorno la sua espansione per raggiungere uno stato di equilibrio
(universo piatto); oppure, infine, che debba un giorno invertire il processo di
espansione per intraprendere una gigantesca contrazione, oggi definita Big Crunch
(universo chiuso).
Density Sampling:
Letteralmente ―campionatura della densità‖, è la distribuzione della densità di particelle secondarie osservate in una griglia, detta ―array‖, di rivelatori. È un metodo
utilizzato per l‘individuazione del cuore di uno sciame e per risalire al numero di
particelle e quindi ricavare l‘energia del raggio primario.
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Un Glossario per i Raggi Cosmici
ElettronVolt:
Un elettronvolt è l‘energia acquistata da un elettrone libero quando passa attraverso una differenza di potenziale elettrico di 1 volt. Un elettronvolt equivale a
1,602 176 46 × 10-19 Joule.
Emulsioni Nucleari
All'interno delle emulsioni, costituite da particolari sostanze gelatinose, viene impiantato il bromuro di argento in camere oscure e in strette condizioni di temperatura e umidità fino ad ottenere delle lastre;
per ottenere un tracciamento completo varie lastre possono essere assemblate in
configurazioni a sandwich. Dopo il periodo di esposizione le pile vengono aperte
e le varie lastre sono trattate e sviluppate chimicamente.
Lo sviluppo fotografico trasforma i cristalli eccitati dal passaggio della particella in
sfere di argento metallico, con un diametro minore del micron, e rimuove il bromuro di argento non ionizzato.
I grani di argento, non visibili ad occhio nudo, sono pienamente riflettenti e appaiono come minuscoli punti neri sullo sfondo bianco della luce trasmessa.
Fermioni:
I fermioni, che prendono il nome da Enrico Fermi, sono particelle elementari che
costituiscono la materia. I fermioni sono suddivisi in tre categorie; la prima, costituita dai quark up e down, dagli elettroni e dai neutrini, è la base della materia ordinaria. Le altre due categorie hanno invece massa superiore e possono decadere
in particelle appartenenti alla prima famiglia. Quark e Leptoni fanno parte dei fermioni.
Fotone:
Il fotone è un quanto del campo elettromagnetico ed è considerato una delle particelle elementari del modello standard. I fotoni sono le particelle della luce, per
comodità la luce viene associata al concetto di particella in virtù dei suoi comportamenti.
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Un Glossario per i Raggi Cosmici
Galassia
Agglomerato di centinaia di miliardi di stelle, gas e polveri, legati tra loro da forze
di natura gravitazionale e orbitanti intorno a un centro comune. Tutti gli astri visibili a occhio nudo dalla superficie terrestre, come il Sole, appartengono alla nostra
galassia: la Via Lattea.
Le galassie sono sorgenti di vari tipi di radiazione elettromagnetica: oltre alla radiazione visibile, anche radiazione X, gamma, radio, infrarossa. Dallo studio della
radiazione proveniente da una galassia è possibile risalire a diverse sue caratteristiche fisiche. La forma delle galassie, in genere, viene determinata sulla base di osservazioni ottiche, così come per lo studio della composizione e del moto delle
singole stelle si ricorre ad analisi spettroscopiche nella regione del visibile. Molti
dettagli sulla struttura galattica, inoltre, possono essere dedotti da ricerche di radioastronomia, poiché l‘idrogeno gassoso presente nei bracci a spirale emette radiazioni elettromagnetiche nella banda delle onde radio dello spettro. Invece, la
polvere fredda nel nucleo delle galassie a spirale emette nel range di frequenze
caratteristico dell‘infrarosso.
G. P. S.
GPS è l‘acronimo di Global Position System (Sistema di Localizzazione Globale). È
un sistema di posizionamento che si basa sull‘utilizzo dei satelliti ed è gestito dal
dipartimento della difesa statunitense.
Attualmente, esiste un sistema di posizionamento russo e l‘Europa ne sta progettando uno suo.
Il sistema GPS ha lo scopo di fornire con una precisione anche inferiore al mezzo
metro la posizione di un corpo sulla superficie terrestre.
Attorno alla terra vi sono 27 satelliti non stazionari (in un giorno compiono due
orbite complete). Di questi 27 satelliti, 24 sono attivi mentre 3 sono di riserva. I
satelliti attivi sono raggruppati in sei gruppi, ognuno per ogni piano orbitale
(distanti 55° fra loro); questa disposizione permette ad ogni punto del globo terrestre di esser coperto, in ogni istante, da almeno 3 satelliti.
Ogni satellite invia segnali accompagnati dall‘istante specifico di emissione, per
permettere di risalire quindi al tempo impiegato dal segnale per compiere un determinato tratto e quindi per ricavare lo spazio percorso, oltre che per conoscere
l‘esatta posizione del satellite. Una stazione di controllo segue la ―vita‖ dei satelliti,
li controlla ed apporta eventuali correzioni agli orologi (chiaramente atomici per
l‘alta precisione). Il principio di funzionamento si basa su un metodo di posizionamento sferico; conoscendo la posizione di almeno tre satelliti e il tempo
23
Un Glossario per i Raggi Cosmici
impiegato dai vari segnali radio per raggiungere il ricevitore GPS, si risale alla posizione di quest‘ultimo grazie all‘intersezione fra i luoghi dei punti equidistanti da
ogni satellite (fra ogni circonferenza ossia i cui punti sono equidistanti da ogni satellite).
Per quanto riguarda il progetto EEE, il sistema GPS è utilizzato come sincronizzatore; un ricevitore fisso infatti può utilizzare questo sistema come sincronizzatore
temporale; ogni secondo avviene una sincronizzazione entro pochi nanosecondi,
con il tempo UTC (ossia il Tempo Coordinato Universale, che si basa su misurazioni condotte con orologi atomici).
Ionizzazione:
È il processo per il quale uno o più elettroni vengono rimossi da atomi o molecole a causa di collisioni fra particelle o per assorbimento di radiazione. Gli atomi
o molecole che hanno ceduto uno o più elettroni rimangono carichi positivamente e prendono il nome di ioni.
Leptoni:
Un leptone è una particella subatomica fondamentale e rientrano nella categoria
dei fermioni.
Sono suddivisi in elettroni, in muoni e nelle particelle tau (ed i rispettivi neutrini).
Hanno carica negativa e neutra (neutra per i neutrini, come si può intuire dal nome).
Materia ed energia oscura:
Il 4% dell‘Universo è costituita dalla materia a noi nota. Il restante 96% invece è
costituito da materia ed energia oscura, ossia da un qualcosa che non conosciamo
ma che intuiamo esista per via del fatto che si manifesta indirettamente, ossia per
via degli effetti gravitazioni della sua massa . Inoltre, la loro esistenza completerebbe il vuoto di massa presente nella teoria del Big Bang. Altra caratteristica della
materia oscura è che non emette radiazioni
Modello standard:
È la principale teoria di riferimento per la spiegazione della realtà fisica, in particolare la riduzione di tutte le interazione a cui è soggetta la materia e l‘energia. Il
modello standard è costituito da fermioni (quark e leptoni), suddivisi in tre diverse famiglie, per valori crescenti di massa delle particelle componenti. Quasi tutta
la materia è costituita dalle seguenti particelle: UP e DOWN per i Quark e neutrini e elettroni per i leptoni.
24
Un Glossario per i Raggi Cosmici
Le forze si possono sintetizzare in quattro tipi: debole, forte, gravitazionale ed
elettromagnetica.
Positrone:
Detto anche antielettrone, è l‘equivalente dell‘elettrone nell‘ambito dell‘antimateria.
Ha carica elettrica pari a +1 e la stessa massa dell‘elettrone. I positroni possono
essere generati dal decadimento radioattivo con emissione di positroni appunto, o
dall‘interazione con la materia di fonti con energia superiore al mega Elettronvolt;
ciò provoca un processo detto ―produzione di coppie‖, poiché genera sia un positrone che un elettrone per l‘energia di ogni fotone.
Quark:
I quark sono una famiglia dei fermioni; i quark fondamentali sono quelli Up e
Down; combinandosi fra loro, danno luogo ai neutroni, ai protoni, ai mesoni. Costituiscono la base della materia.
Radiazione Fossile
La più importante prova sperimentale a favore della teoria del Big Bang è la cosiddetta radiazione fossile, residuo in forma di energia radiante .della grande esplosione da cui ebbe origine l'universo primordiale. Prevista alla fine degli anni Quaranta dal fisico George Gamow, essa venne individuata casualmente nel 1968 da
due ricercatori dei Bell Laboratories, che in tal modo confermarono l'ipotesi
dell'origine 'calda' dell'universo.
Consideriamo il forno della nostra cucina, ermeticamente chiuso, alla temperatura, per esempio, di 200 gradi centigradi. Dopo un certo tempo la temperatura
dell'aria dentro il forno e quella delle pareti si troveranno in equilibrio alla stessa
temperatura. Se apriamo il forno saremo investiti da una vampata di calore, ed un
misuratore di radiazione ci direbbe che il forno irraggia onde elettromagnetiche
con un massimo nell'infrarosso, tipiche di quella temperatura. Così, una fornace
per la fusione di materiali ferrosi avrà una temperatura di qualche migliaio di gradi,
e anche la radiazione che emette, e che sarà sotto forma sia di radiazioni infrarosse che visibili, sarà tipica di quella temperatura. In altre parole, sia il forno che la
fornace sono riempiti di radiazione alla stessa temperatura del rispettivo contenitore.
L'universo è un'enorme fornace le cui dimensioni vanno crescendo nel tempo per
effetto dell'espansione. Ma pensiamo, come fece Gamow cinquant'anni fa, cosa
succederebbe facendo fare il cammino a ritroso all'evoluzione del nostro universo.
25
Un Glossario per i Raggi Cosmici
Tutta la materia in esso contenuta verrebbe compressa in volumi sempre più piccoli a densità sempre più alte. Ora è esperienza comune che, quando si comprime
un gas, questo si riscalda. L'universo primordiale doveva dunque essere riempito
di materia e radiazione a temperature molto alte.
RADIAZIONI
Il termine radiazioni viene utilizzato per descrivere fenomeni fisici apparentemente diversi fra loro, quali la luce e il calore perfettamente percettibili dai sensi umani, la radiazione elettromagnetica, la radiazione cosmica, la radiazione artificiale,
del tutto invisibile e impercettibile.Caratteristica comune a tutti i tipi di radiazione è la cessione di energia alla materia attraversata. L'assorbimento di energia si
manifesta in genere in un aumento locale di temperatura; è questo il caso tipico
del riscaldamento dei pannelli solari da parte della luce del sole, ovvero, nell'impressionare una lastra fotografica è questo il caso della fotografia e della diagnostica per immagini, ovvero può interferire con i processi biologici.Tali effetti sono
diretta conseguenza dei processi fisici di eccitazione e ionizzazione dovute agli
urti della radiazione ionizzante con la materia. Le radiazioni si dicono ionizzanti
quando hanno energia sufficiente per produrre il fenomeno fisico della ionizzazione che consiste nel far diventare un atomo elettricamente carico (ione). Nei tessuti biologici gli ioni generati dalle radiazioni ionizzanti possono avere influenza sui
normali processi biologici.
Radioattività
La radioattività è un fenomeno naturale dovuto alla proprietà di alcuni nuclei atomici di trasformarsi spontaneamente in altri nuclei emettendo radiazioni energetiche. •I decadimenti radioattivi principali sono di 3 tipi:
•• alfa : quando viene emesso un nucleo di elio (costituito da due protoni e due
neutroni),
•• beta : quando vengono emessi un elettrone e un neutrino,
•• gamma: quando viene emesso un fotone.
Il decadimento radioattivo di un nucleo avviene in modo casuale con una certa
probabilità caratteristica.
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Un Glossario per i Raggi Cosmici
Raggi cosmici:
Sono una radiazione energetica proveniente dallo spazio che investe la Terra e
qualunque altro corpo celeste. La natura è molto varia e l‘energia cinetica delle
particelle che la costituiscono è distribuita su 14 differenti ordini di grandezza.
Inoltre, è varia anche l‘origine di questa radiazione: il sole, le stelle, fenomeni come
supernovae e oggetti remoti come i quasar (tipo più diffuso di AGN). La maggior
parte dei raggi cosmici vengono fermati dall‘atmosfera con interazioni che producono sciami di particelle secondarie. Tali particelle possono arrivare fino alla superficie terrestre ed essere osservate con speciali apparecchiature (il caso del rivelatore MRPC). Le particelle che derivano dall‘interazione fra essi e l‘atmosfera
vengono suddivisi in componente molle (ossia poco massiva) e componente dura,
più massiva e che ha più probabilità di raggiungere la superficie terrestre.
La componente molle è costituita da elettroni, fotoni, protoni e nuclei. La componente dura è invece principalmente costituita da muoni, particelle fondamentali
con carica elettrica negativa, appartenenti alla famiglia dei leptoni.
I raggi cosmici che interessano il nostro esperimento sono quelli con energie
sull‘ordine del 1020eV (elettronvolt), ad alta energia appunto, così alta da venir
definita estrema.
Raggi gamma:
Sono una forma di radiazione elettromagnetica prodotta dalla radioattività o da
processi nucleari o subatomici. Sono più penetranti rispetto ai raggi alpha e beta,
ma sono meno ionizzanti. Sono prodotti durante le trasformazioni che avvengono
all‘interno dei nuclei atomici.
Red Shift
Fenomeno fisico che consiste in uno spostamento delle righe dello spettro di un
oggetto celeste verso la regione delle lunghezze d'onda maggiori (verso il rosso).
Nel 1929 l'astronomo statunitense Edwin Powell Hubble attribuì lo spostamento
verso il rosso (in inglese red-shift) osservato nello spettro delle galassie lontane
all'effetto Doppler e sulla base di questa considerazione ipotizzò il processo di
espansione dell'universo.
Un altro meccanismo responsabile dello spostamento verso il rosso degli spettri
di emissione e di assorbimento di oggetti celesti è detto red-shift gravitazionale
ed è una conseguenza della teoria della relatività generale. I campi gravitazionali
molto intensi producono infatti uno spostamento verso il rosso delle righe spettrali, particolarmente evidente negli spettri di stelle compatte, come le nane bianche.
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Un Glossario per i Raggi Cosmici
Se il forte red-shift mostrato dai quasar fosse da ricondurre all'effetto Doppler,
come molti scienziati ritengono, si avrebbe una prova del fatto che questi oggetti
si stiano allontanando dalla Terra con una velocità pari all'80% della velocità della
luce.
Esistono comunque teorie che imputano lo spostamento verso il rosso di questi
corpi celesti lontanissimi a fenomeni di natura gravitazionale o non ancora noti.
Rivelatore MRPC
(Multigap Resistive Plate Chambers)
Il rivelatore MRPC (camera a piani resistivi mulpigap) è una evoluzione della tipologia di rivelatori in cui lo strato di gas tra i due elettrodi è suddiviso in più intervalli. Questa caratteristica ne migliora notevolmente le prestazioni; altra caratteristica dei rivelatori MRPC è l‘utilizzo di piani di vetro sia come elettrodi sia come
elementi di separazione dei vari intervalli di gas. Per effetto del campo elettrico
generato tra i 2 vetri più esterni (gli elettrodi) anche i vetri intermedi acquistano
un potenziale e si ottengono in questo modo più intervalli in cui può aver luogo la
ionizzazione primaria da parte della particella che attraversa il rivelatore.
Spettroscopia:
Lo spettro di una radiazione elettromagnetica è una gamma di colori distribuiti in
bande più o meno distinte. Lo studio e la misurazione degli spettri di emissione è
chiamato spettroscopia.
Lo spettro si ottiene tramite la scomposizione della luce policromatica in radiazioni di differente colore (lunghezza d‘onda).
Tramite l‘analisi di uno spettro si possono ottenere innumerevoli informazioni, la
massa del corpo di cui si analizza lo spettro, la sua composizione, la sua energia,
ecc.
Sciame:
Un raggio cosmico che entra in contatto con l‘atmosfera terrestre reagisce e forma una cascata di nuove particelle. Questa cascata di raggi cosmici secondari viene detta ―sciame‖. Gli sciami costituiti dalla componente molla producono continuamente coppie di elettroni e positroni, mentre gli sciami costituiti da particelle
dure decadono fino ad arrivare al muone.
Supernovae:
Una supernova è un‘esplosione stellare che prevede l‘espulsione degli strati esterni di una stella e il riempimento dello spazio confinante di idrogeno ed elio
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Un Glossario per i Raggi Cosmici
principalmente.
La sua luminosità è circa di un miliardo di volte superiore a quella del Sole e qualunque pianeta orbitante attorno alla stella verrebbe prima carbonizzato e poi
spazzato via.
Inoltre, è l‘unico meccanismo naturale in grado di produrre gli elementi più pesanti del ferro.
Universo
L‘insieme di tutta la materia e l‘energia esistenti e dello spazio che le contiene.
L‘universo, la sua origine e la sua evoluzione sono oggetto di studio della cosmologia, disciplina scientifica che si avvale delle osservazioni astronomiche e delle
teorie fisiche (in particolare, della relatività generale) per elaborare possibili modelli di universo.
Gli studi condotti nel corso del XX secolo hanno portato alla formulazione di tre
possibili modelli: quello di universo chiuso, secondo il quale lo spazio e tutto ciò
che contiene sarebbero destinati a collassare un giorno in un gigantesco evento
implosivo, definito Big Crunch; quello di universo stazionario, che prevede invece
un universo statico e immutabile; e quello di universo aperto, secondo cui il cosmo sarebbe destinato a espandersi indefinitamente. Quale dei tre sia il modello
che più si avvicina alla realtà è un problema aperto della moderna cosmologia.
La determinazione dell‘età dell‘universo è uno dei più importanti problemi aperti
della cosmologia moderna.
Calcolando l‘attuale tasso di espansione dell‘universo, deducibile dal valore della
costante di Hubble, è possibile determinarne l‘età per ciascuno dei modelli fin qui
citati. I primi calcoli fornirono un risultato di soli due miliardi di anni, un valore
notevolmente minore dell‘età della Terra, stimata a 4,65 miliardi di anni sulla base
della quantità di alcuni isotopi radioattivi e dei loro prodotti di decadimento nelle
rocce. Le successive correzioni nella scala delle distanze, dovute anche alla scoperta di due differenti tipi di variabili cefeidi, caratterizzati da luminosità intrinseca
diversa, hanno rimediato a questa incongruenza.
Al momento, le stime dell‘età dell‘universo variano tra i dieci e i venti miliardi di
anni, e quindi non sono in conflitto con i dati riguardanti l‘evoluzione della Terra.
Rimane però una contraddizione con l‘età presunta di alcuni oggetti astronomici,
come gli ammassi globulari, e ciò rende la determinazione dell‘età dell‘universo
uno dei più importanti problemi aperti della cosmologia moderna.
( Documento prodotto da Nancy Bellingan, a.s. 2007/2008 )
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CALIBRAZIONE DEI GAS
SETTAGGIO DEL MISCELATORE A 40 cm3 IN USCITA:
INPUT SF6
INPUT
43,2
60
45,7
38,8
C2F4H2
Q.tà percentuale in
uscita diSF6
Q.tà cm3/ min in
uscita di C2F4H2
CALIBRAZIONE DELL‘ EROGAZIONE DEL GAS IN INGRESSO:
SF6 = 1,60 cm3/ min
C2F4H2 = 80 cm3/ min
CALIBRAZIONE DELL‘EROGAZIONE DI SF6 IN USCITA:
60% di
1,60 cm3/ min pari a: 0,96 cm3/ min
CALIBRAZIONE DELL‘EROGAZIONE DI C2F4H2 IN USCITA:
48,5% di 80 cm3/ min pari a: 38,8 cm3/ min
COMPOSIZIONE RISULTANTE DELLA MISCELA IN USCITA:
SF6:
3%
C2F4H2: 97%
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