2. GCR: Galactic Cosmic Rays
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
[http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Structure_of_the_magnetosphere_mod.svg]
3. Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
4. Los Rayos Cósmicos en la atmósfera
1000
gr/cm2
500
200
100
20
10
5 10 30 km
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
Relación altitud-espesor másico
5. Rayos Cósmicos Primarios: Espectro y composición
[PDG]
K
Knee
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
6. Rayos Cósmicos Primarios: Espectro en energía
1 Partícula/m2-año
1 Partícula/km2-año
1 Partícula/km2-siglo
Knee
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
7. Rayos cósmicos: Interés para su medida y estudio
- Dosímetría:
· Control de riesgo de pilotos y personal de lineas aéreas
· Predicción de fallos nequipos informáticos, telecomunicaciones...
- Estudio de los campos geomagnético terrestre e interplanetario:
· Medida de las variaciones del campo magnético en nuestro entorno a través de los
cambios de flujo de los rayos cósmicos
- Estudio de la actividad solar: (SEP: Solar Energetic Particles)
· Análisis de la actividad solar a través de las partículas y energía electromagnética
emitidas en las fulguraciones y protuberancias solares
- Posible influencia en el clima terrestre:(GCR: Galactic Cosmic Rays)
· Análisis de la posible relación de los rayos cósmicos galácticos con variaciones en el
circuito eléctrico de la atmósfera terrestre y la formación de nubes
- UHEANP (Ultra High Energy Atmospheric Nuclear Physics):
· Análisis de las colisiones nucleares a energía ultrarrelavista que los rayos cósmicos
pesados producen en las capas altas de la atmósfera
- Estudio de los rayos cósmicos primarios:
· Estudio acerca de su composición, origen, energía y mecanismos de aceleración
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
8. Dosimetría
Es posible predecir con antelación, las épocas con exceso de actividad solar
mediante la detección en superficie del frente de partículas mas energéticas.
Importante para:
· Control y protección de personal aéreo
· Previsión de fallos de equipos electrónicos, informáticos y de comunicaciones
Simulaciones con:
EXPACS: EXcel-based Program for calculating Atmospheric Cosmic-ray Spectrum (basado
en PARMA: PHITS based Analytical Radiation Model in the Atmosphere)
Cosmic-ray spectra at various locations obtained by our simulation (PHITS) in comparison with the
experimental data
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
[www.jaea.go.jp/04/nsed/ers/radiation/rpro/EXPACS/main-up-eng.htm]
9. Estudio del campo geomagnético terrestre
Lineas isocósmicas (misma intensidad de rayos cósmicos)
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
Lineas isomagnéticas: Modelo
10. Estudio del campo geomagnético geoplanetario
Hoja de corriente neutra, también denominada falda de la bailarina por la
forma que toma. Esta hoja separa campos magnéticos interplanetarios,
situados por arriba de ella, que tienen una polaridad, de campos localizados
debajo de ella con polaridad opuesta.
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
11. Estudio de la actividad solar
Inuvik Neutron Monitor
[neutronm.bartol.udel.edu//listen/main.html#detect]
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. intensidad de neutrones detectados en el monitor
Actividad solar e E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
12. Posible correlación entre rayos cósmicos y clima
El clima puede estar correlacionado con la intensidad de los rayos cósmicos en
la superficie terrestre:
- Por su capacidad de ionización, favoreciendo la formación de gotas de lluvia y
precipitaciones o por su influencia en el circuito eléctrico atmosférico
- Por su dependencia en la temperatura de las capas altas de la atmósfera
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
13. UHENP: Ultra High Energy Atmospheric Nuclear Physics
Interacción nuclear inicial en la alta atmósfera
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
14. Análisis de rayos cósmicos primarios
Por encima de la zona de la rodilla, los rayos cósmicos se estudian a través de los resultados
de su interacción en la alta atmósfera, con producción de cascadas de partículas (EAS):
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
15. Detección de Cascadas Atmosféricas
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
16. Desarrollo de cascadas atmosféricas
γ P Fe
[HRebel]
Caracterización:
Energía → Posición de Nmax (D. Fluorescencia)
→ Densidad de partículas Cascadas atmosférias generadas por
un fotón, un protón y un núcleo de Fe
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
17. Caracterización y medida de cascadas
Se producen grandes fluctuaciones entre cascada y cascada
Simulación de A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrolde 1 PeV
Juan 50 cascadas atmosféricas inducidas por un protón 30.9.2009
18. Caracterización y medida de cascadas
Algunos métodos:
Dirección → Determinación del frente de la cascada
Energía → Posición de Nmax (D. Fluorescencia)
→ Densidad de partículas a cierta distancia del eje
Masa (muy dificil de medir suceso a suceso → medida promedio):
→ Altitud de formación de la cascada (núcleos pesados interaccionan antes)
- relación e/µ (los e, se extinguen antes)
→ Distribución lateral de muones
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
19. Caracterización y medida de cascadas
Algunos problemas:
- Los detectores de fluorescencia (los mejores para medir la energía )solo están activos
durante un 10% del tiempo: precisan de noches sin luz
- El análisis de datos requiere de la ayuda de MonteCarlos:
Distintos códigos ofrecen distintos resultados
- Los MCarlos precisan mejorarse:
- Necesidad de secciones eficaces medidas en experimentos con aceleradores
- Necesidad de mejorar algunos aspectos: multiplicidades...
- Dificultad de comparar resultados de distintos experimentos (a distinta altitud) por distinta
naturaleza de los datos
- Mejorar la estadística (aún insuficiente para diferenciar entre distintas fuentes)
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
20. Caracterización y medida de cascadas
Ejemplo: Diversas estimaciones de masa por distintos experimentos
<Masa>
[CCOU02]
The scatter of points on a plot of the average logarithm of the nuclear mass number of the primary cosmic rays
versus energy clearly shows the need for more input from accelerators.
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
21. Ejemplo: Experimento Pierre Auger (Argentina)
Detectores de
Fluorescencia
Tanques Cherenkov para la
detección de partículas cargadas
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
23. PROPUESTA:
El TRASGO
(TRacks reconStructinG mOdule )
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
24. PROYECTO TRASGO: PROPUESTA
Desarrollo de un detector de “tracking” partículas basado en
detectores RPCs (Resistive Plate Chambers) barato, flexible y
de alta resolución temporal, capaz de proporcionar información
independiente de las partículas de alta energía que lo
atraviesan.
Se trataría de un sistema modular, facilmente ampliable, de
funcionamiento autónomo, fácil de transportar e instalar en
variados entornos
Un detector como el que se propone sería aplicable en la
mayoría de los temas que se han comentado, proporcionando
información complementaria a los otros métodos, además de
otros usos
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
25. PROYECTO TRASGO: Ingredientes principales
- RPCs de tiempo de vuelo con resolución temporal integrada
(detector + electrónica) del orden de los 100-200ps
- TimTrack: Algoritmo de reconstrucción de trazas con medida
de tiempo y velocidad
- MIDAS: Algoritmo para la identificación de partículas
- Tarjeta de adquisición TRB (TDC Readout Board) del GSI,
con reconstrucción de particulas en tiempo real y situado en el
propio detector.
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
26. EL TRASGO: Las RPCs
900mm
RPCs
900mm
Canal de
ventilación
(Disposición tentativa)
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
27. EL TRASGO: Las RPCs
900mm
Características aproximadas:
- Timing RPC de 2 gaps de 0.30mm con
mezcla Freon-SF6-IB (85-10-5)
- Lectura arriba-abajo en la RPC
- 32 canales por plano
- Longitud del electrodo: 80cm
- Autotrigger
- Reconstruccion completa de trazas
- Reducción de datos en el propio detector
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
28. EL TRASGO: Reconstrucción de trazas
- El detector busca impactos en cada
plano
- Ajusta trazas a los impactos de los
planos con 6 parámetros libres:
- 2 coordenadas
- 2 pendientes
- tiempo de incidencia
- velocidad
Resultado: Un vector con:
{dirección, tiempo y velocidad}
SAETA: Simplest ArrengEment of dAta
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
29. timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack Hacia un nuevo concepto en el
ttimtrack
tim rack
rastreo de particulas cargadas
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
30. Timing
Tracking
TimTrack es un algoritmo de reconstrucción de trazas en
detectores, basado en un ajuste por mínimo Chi2 de coordenadas
con 6 parámetros libres:
- 2 coordenadas espaciales
- 2 pendientes (las proyectadas en los planos de las
coordenadas)
- Un tiempo de llegada (en la base de tiempos de los TDC
del sistema de adquisición de datos o de un trigger externo)
- Velocidad de la partícula
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
31. Ajuste de trazas : Término de coordenadas
Una traza se puede reconstruir a partir de las posiciones de los
electrodos
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
32. Ajuste de trazas : Término de tiempos, extremo 1
Una traza y su velocidad se puede reconstruir a partir de los
tiempos en un extremo de cada electrodo
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
33. Ajuste de trazas : Término de tiempos, extremo 2
La reconstrucción de una traza y su velocidad se puede mejorar
Mediante la lectura de tiempos en el otro extremo de cada electrodo
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
34. Condición de Mínimo Chi cuadrado:
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
37. Trasgo:Identificación de partículas
Posible separación e/µ mediante absorbentes
Fe o
Pb
Buena reconstrucción
Buena reconstrucción solo en los primeros planos
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38. MIDAS: Multi sampling Identification of pArticleS
Posible separación de masas a través del análisisde velocidades
y residuos
Muones Electrones
(M. Scattering
An. Residuos)
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
39. MIDAS
Separación de electrones y muones atmosféricos mediante
timtrack
Teresa Kurtukian
U. Burdeaux
TRASGO 1ª Reunión de Trabajo
Santiago de Compostela, 19 diciembre 2008
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
40. MIDAS: Motivación
• Determinar hasta que punto un tracking con medidas de
tiempo es útil para separar e identificar partículas.
• Rayos cósmicos a nivel del mar:
Flujo de partículas por m^2/s.sr
E/GeV Iµ Ie Ip
0,1 99 6 2
0,2 97 3 1,5
distinguir entre muones
0,5 86 1 0,9 y electrones siendo su
1 69 0,38 0,51 rango de energ as muy
2 45 0,12 0,25 distinto
5 20 0,02 0,08
10 8,6 - 0,03
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
41. MIDAS: Simulación Monte Carlo
• MatLab / Octave
• Genera trazas verticales que atraviesan un cierto número de
absorbentes.
• Considerando:
• pérdida de energía (Bethe-Bloch)
• multiple scattering (Simulación recomendada en PDG)
• Aproximamos el recorrido en el absorbente como un arco de
circunferencia con la saggita dada por el PDG.
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
42. MIDAS: Simulación: parámetros
• Absorbentes : Fe y Pb (5 placas)
• Espesor : 1cm y 0.5cm
• Energías:
• muones : 0.5 a 10 GeV
• electrones y protones : 0.1, 0.2, 0.5 GeV
• Para cada configuración se calcula el punto de salida en
cada plano de absorbente y se ajustan todos los puntos a
una trayectoria recta.
• Se determina el Chi2 (un valor grande es reflejo de grandes
residuos y gran multiple scattering)
• Se determina la velocidad “aparente” en la direccion del
movimiento A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
Juan
43. 20 trazas generadas (e-, a 0.5GeV)
5 absorbentes de Pb, 1cm
Ajustes a trayectorias rectas
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
44. MIDAS: Simulación: resultados
• El programa genera histogramas de los residuos de las
trazas ajustadas, asi como la dependencia chi2/ancho
de los residuos vs velocidad de la partícula.
Distribución Chi2 Relación Velocidad-Chi2
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
46. Relación Velocidad-Chi2
Muones de 10 GeV
5 absorbentes de Fe de 1cm
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
47. MIDAS :Resultados preliminares
Abs Pb Abs Pb Abs Fe Abs Fe
Energy Particle (10mm) (5mm) Energy Particle (10mm) (5mm)
ResX ResY ResX ResY ResX ResY ResX ResY
10G eV mu 0,3 0, 0,
3 22 0, 22 10GeV mu 0,
2 0, 0,
2 12 0, 12
5G eV mu 0,7 0, 0,
6 44 0, 43 5GeV mu 0,
3 0, 0,
4 24 0, 23
2G eV mu 1,6 1, 1,
6 15 1, 06 2GeV mu 0,
9 0, 0,
9 62 0,6
1G eV mu 3,5 3, 2,
5 27 2, 31 1GeV mu 1,
8 1, 1,
7 21 1, 18
500M eV mu 7,
0 6, 4,
9 49 4, 86 500M eV mu 3,
9 4, 2,
0 54 2, 65
e 7,0 7, 4,
0 65 4, 87 e 3,
8 3, 2,
5 49 2,5
p 2,6 2, 1,
6 82 1,8 p 1,
4 1, 0,
4 98 0, 97
200M eV mu - - 21,92 22,16 200M eV mu - - 10,25 10,01
e 25, 28, 12,
0 6 86 13,24 e 10, 10, 6,
4 4 55 6, 41
p 0,8 0, 0,
8 54 0, 51 p 0,
4 0, 0,
4 29 0, 28
100M eV mu - - - - 100M eV mu - - - -
e - - - - e - - 15,
31 14, 93
p 0,4 0, 0,
4 27 0, 26 p 0,
2 0, 0,
2 14 0, 14
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
48. Trasgo: Modelo precursor
El muro de RPCs de HADES
RPC double
layer
~200
cells
Acceptance
close to 100%
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
49. RPC de HADES, con 4 TRBs
Prototipo operativo
432 canales
Sistema de lectura
TRB (Tdc Readout Bord)
128ch/TRB
4x128 = 512 canales
+ 1 PC
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
50. La cadena de adquisición de las RPCs de HADES
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
50
51. La TRB: Tdc Readout Board
TRB Features:
➢ Four HPTDC each 32 channels => 128
channels
➢ Single chip computer with 100MBit/s
Ethernet
➢ FPGA as board controller
➢ DC/DC 48V
➢ Buffer Memory
Una TRB permite la lectura de 128 canales
(detectores) mediante 1 ordenador personal
Contiene un procesador Etrax encargado de
la comunicación con el exterior.
El procesador puede albergar los programas
de reconstrucción de trazas
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
52. Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
52
53. Eficiencia de reconstrucción en un Trasgo para diferentes
número de planos, anchura de los electrodos y eficiencias
de celda
Intensidad incidente de R.
Efic(RP NumPla NPlan ∆(electr Num Cósmicos:
C) nos (Track) odo) TRB/ch 100/m2/5µs 200/m /5µs
2 500/m /5µs
2
1000/m2/5µs
1 4 3 5cm 1/128 0.99 0.98 0.89 0.70
1 4 3 2.5cm 2/256 1 0.99 0.97 0.89
0.9 4 3 5cm 1/128 0.92 0.88 0.77 0.57
0.9 4 3 2.5cm 2/256 0.93 0.92 0.86 0.77
1 8 5 5cm 2/256 0.99 0.98 0.91 0.72
1 8 5 2.5cm 4/512 1 1 0.99 0.98
0.9 8 5 5cm 2/128 0.99 0.98 0.91 0.71
0.9 8 5 2.5cm 4/512 0.99 0.99 0.97 0.91
1 8 3 5cm 2/256 1 1 1 0.99
1 8 3 2.5cm 4/512 1 1 1 1
0.9 8 3 5cm 2/128 1 1 1 0.98
0.9 8 3 2.5cm 4/512 1 1 1 1
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
54. EL TRASGO: Posibles configuraciones
Diferentes configuracion posibles
- Todos los trasgos son autonomos: trigger, tracking, analisis…
- Solo uno (trasgo maestro) comunica con el Sistema Central de Adquisicion
- Algoritmos de “empalme” de trazas posiblemente en el trasgo maestro
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
55. EL TRASGO
Para su desarrollo de dispone de experiencia e infraestructura
- Diseño Trasgo: labCAF
- Diseño-construcción RPCs: labCAF (+LIP?)
- Electronica FEE: labCAF (+IFIC-Valencia?)
- TRB: Disponible. GSI
- Software de reconstruccion de trazas: Adap de Hades-SMC: labCAF
- Software de adquisicion. Adap. de Hades: labCAF
- Temas técnicos: Alimentación, climatización: TecnoCiencia
- Alimentacion eléctrica y regulacion: GAstroparticulas + Tecnociencia
- Simulaciones previas: GAstroparticulas + labCAF
- Análisis de datos: labCAF + GAstropartículas
- Otros grupos interesados: G. Arquitectura de Ordenadores.USC
E. Politécnica de Ferrol. UDC
S. Meteorologia de la USC-Xunta de Galicia
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
56. y...
Proyecto
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
57. Meiga
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
58. Meiga
(Mini Ensemble for Identifying GAlactic radiation )
Objetivos:
- Desarrollo de una “pequeña” instalación en la USC, con entre 12
y 20 Trasgos, para depurar y optimizar detectores, software de
reconstrucción y de análisis y que quedaría disponible para otros
ensayos futuros: nuevas técnicas, nuevo diseños…
- Sentar la base para la construcción futura de nuevos trasgos
para complementar otros experimentos o como base para algún
experimento futuro en España.
- Rayos cósmicos = Datos durante 24h/dia, 365,25 dias al
año…→ y… Gratis total
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
61. Somewhere over the rainbow,
skies are blue
And the dreams that you dare to dream ,
really do come true
(El mago de Oz)
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
62. Otra aplicación: Calibración de detectores
Ejemplo: Antares/Km3
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
63. FIN
(por ahora)
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