BpSM 2012.11. - Barnaföldi Gergely Gábor: Kincskeresés kozmikus részecskékkel

Kincskeresés kozmikus
részecskékkel

Barnaföldi Gergely Gábor, Bencédi Gyula,
Hamar Gergely, Melegh Hunor Gergely, Oláh László,
Surányi Gergely, Varga Dezső

REGARD csoport & Magyar ALICE Csoport

Budapest Science Meetup
Budapest, 2012. november 15.

Kincskeresés kozmikus
müonokkal

Barnaföldi Gergely Gábor, Bencédi Gyula, Hamar Gergely,
Melegh Hunor Gergely, Oláh László, Surányi Gergely,
Varga Dezső

REGaRD csoport & Magyar ALICE Csoport

Simonyi Nap, Wigner FK
Budapest, 2012. október 16.

De hát miért ilyen?

Barnaföldi GG: Kincskeresés kozmikus müonokkal - VPG 2012.10.27 3

De hát miért ilyen?
a Tejút vagy Galaxis ahol élünk...


Tartalom
● A kozmikus sugárzás és felfedezése

● Kozmikus sugárzás alkalmazása

● Gáztöltésű detektorok (ALICE & REGARD)

● A REGaRD müontomográf

● Kincskeresés Magyarországon


I. A kozmikus sugárzás és felfedezése


A kozmikus sugárzás története
● Elektroszkóp elveszti a töltést
● Wulf szerzetes (1909): kísérletek
az iskolában és környék
homokkőbányáiban.
● Eredetileg a kőzetre gyanakodtak,
de a bányában lassabban.
● Párizsi egyetem + Eiffel torony:
magasabban erősebb a sugárzás
● Viktor Hess (1912) hőlégballonos
mérés 6 km-ig. (Nobel: 1936)


A kozmikus sugárzás története
● Elektroszkóp elveszti a töltést
● Wulf szerzetes (1909): kísérletek
az iskolában és környék
homokkőbányáiban.
● Eredetileg a kőzetre gyanakodtak,
de a bányában lassabban.
● Párizsi egyetem + Eiffel torony:
magasabban erősebb a sugárzás
● Viktor Hess (1912) hőlégballonos
mérés 6 km-ig. (Nobel: 1936)
● Carl Anderson: pozitron (1932)
● Powell: a müonok nehéz
elektronok (1947)
● Pierre Auger, Jánossy Lajos

A kozmikus sugárzás tulajdonságai
● Energiaeloszlás:
N(>E) = k*(E+1)-a
● E a részecske energiája [GeV];
● N(>E): az E-nél nagyobb
energiájú részecskék száma;
●
k≅5000 részecske/m2;
● a≅1.6
● Szögeloszlás:
Φ(θ) ⁓ cosm(θ)
● A θ a függőlegestől mért
úgynevezett zenitszög
● m=2, de van földrajzi szélesség és
magasság függése is.


A kozmikus sugárzás eredete
● Primer kozmikus sugárzás:
● A világűrből érkező
nagyenergiás részecskék
●
Elsősorban p (89%), He2+
(10%), e-, egyéb magok (1%)
● Akár 1020 eV energiával is.
● Szekunder részecskék
● Pionokat, kaonokat keltenek
● Elektronokká, müonokká
bomlanak
● Müon: egyszeres negatív töltés,
200 szoros elektron tömeg: μ-


II. A kozmikus sugárzás alkalmazása


Az LHC és legnagyobb kísérletei

ATLAS

CMS

ALICE

Ennél van nagyobb energia is...

Hozam
Egy részecskegyorsító 10-15 év

LHC energiák felett van-e
kísérleti lehetőség?

Természetesen, igen:
SPS
● CERN SPS ~20 GeV
● RHIC BNL, LEP ~100 GeV LEP
● LHC ~10 TeV RHIC
● Kozmikus ~1 EeV

Persze, tervezzük a következőt: LHC
● LeHC

● SLHC
A kozmikus részecskék gyakorisága

Energia

A kozmikus sugárzás alkalmazása
● Ütközések „ingyen”:
● A világűrből érkező
nagyenergiás részecskék
●
Elsősorban p (89%), He2+
(10%), e-, egyéb magok (1%)
● Akár 1020 eV energiával is.
● Szekunder részecskék: pion,
kaon → elbomlik: e-, μ-
● Detektorok kalibrálása
● Amíg nem ment az LHC, addig
a nagy kísérletek kozmikus
sugárzást mértek.
● Kozmikus háttér mérése

Kincskeresés müontomográffal
● Elv: kozmikus „röntgenkép”
● Első alkalmazás L.W. Alvarez:
rejtett kamrák keresése a Kefren
piramisban. (1957)
● Fizikai eredmény:
Nincsenek titkos kamrák a
Kefren piramisban

● Igazi eredmény:
Nem kell szétfúrni a piramist!
L. Alvarez et al.: Search for Hidden
Chambers in the Pyramids, Science, 167,
832-839, 1970.

Müontomográf alkalmazások
● Nap Piramisa (Mexikó)
R. Alfaro, V. Grabski: Searching for possbile hidden chambers in the Pyramid of Sun.

● Vulkánvizsgálat (Japán,)


Müontomográf alkalmazások
● Nemzetvédelmi alkalmazás (Los Alamos)

● Széndioxid Csapda térfogat mérése


II. Gáztöltésű detektorok,

ALICE és REGARD Csoport


Gáztöltésű detektorok – GM cső
● Geiger-Müller számláló
● H. Geiger, E. Rutherford W. Müller
● 1908 H. Geiger-cső
● 1928 W. Müller tökéletesíti

● Működés
● Nagy elektromos térbe érkező
töltött részecske, ütközve a gáztér
részecskéivel elektronlavinát kelt.
● Az elektronlavina már mérhető pl.
106 elektron


Gáztöltésű detektorok – MWPC
● Sokszálas kamra (MWPC)
● Georges Charpak (1924 -)
● 1968 sokszálas kamra
● Töltött részecskéket mér
● 1992 Nobel díj

● Működés
● Azonos a GM csőével, csak sokkal
több anódszál van benne.
● Nagyobb térfogat.


A REGARD csoport és tevékenysége
● Detektorfejlesztés
● Mikro-mintázatú detektorok
● Gáz-elektronsokszorozó, GEM
● Sokszálas kamrák (MWPC)

● Saját fejlesztés: CCC
● Közel-katódos kamra (CCC)
● Nem érzékeny

● Extrém körülményekre is

● Olcsón előállítható


A REGARD csoport és tevékenysége
● CERN-es fejlesztések
● Trigger detektor fejlesztése az
LHC ALICE kísérlet VHMPID
moduljához (HPTD).
● TPC az NA61/SHINE CERN
kísérlethez
● Alkalmazott kutatások
● Radondetektor
● PET detektor
● Müontomográf


III. A müontomográf


A müontomográf szerkezete
● Müontomográfia:
● Nagyenergiás müonok
szögeloszlásának mérése
● 1 vagy 2 dimenziós eloszlások
vizsgálata koincidenciában.
● Ehhez sokszálas kamrák
kellenek, de azok macerásak.
● A 2-dimenziós CCC kamra
● Direkt 2D mérés
● ArCO2-vel töltött aszim-
metrikus kadódos kamrák
● Nem (nagyon) érzékeny
deformációkra, hőmérsékletre

A REGARD müontomográf építése
● CCC kamra készítése

● Müontomográf feműködése


A REGARD müontomográf
ALICE VHMPID fejlesztés mellékterméke...

● 4 közelkatódos kamra (CCC)
● Érzékeny felület: 32 cm x 32 cm
● Hermetikus plexi dobozban
● Könnyen kezelhető:
térfogat: 51 x 46 x 32 cm3
Teljes súly: 13 kg
● DAQ rendszer
● Egyszerű: LCD, SD kártya

Egyszerű teszt:ólomtömb „müonképe”
● Müontomográfia:
● A müonok elnyelődnen a
nagyon sűrű anyagokban
(pl. ólomban)
● Lehet-e látni az ólomtömb

„müon-árnyékát”?
● kb. 30 kg. ólom

● IGEN: müontomográffal
● Lila (kevés müon jön)
● Piros (sok müon jön)


Egyszerű teszt:ólomtömb „müonképe”
● Laboratóriumi körülmények
● Abszorber torony:
tömeg: 150 kg
térfogat: 20 x 20 x 50 cm3
● Adatfelvétel azonos pozícióban:

toronnyal / torony nélkül
● 7 M esemény, 10 napos mérés
● 20% müon hozam csökkenés
(Ábra: toronnyal és torony
nélkül mért fluxusok aránya)

DÖME mérése az EK-ban
● DÖgnehéz MérőEszköz
● 8.5 t vas a régi Erzsébet-hídból
● II. Világháború előtti vas (nincs
atombomba szennyezése)


90
Az ELTE kép Sr forrással


IV. Kincskeresés Magyarországon

müontomográffal...


A müontomográfos méréseink


A müontomográfos méréseink
● Labor (0 m):
> 100 nap, > 100 M müon esemény
● Jánossy akna (-10, -20, -30 m):
15 nap, 2 M müon esemény
● Molnár János-barlang (-45 m):
77 nap, 110 k müon esemény
● Ajándék-barlang (-60 m):
50 days, 170 k müon esemény
● Pilis-hegység (0 m):
1nap, 300 k müon esemény
● Kőbánya, Dreher (-20 m):
40 nap, 500 k müon esemény

Tesztmérések: Jánossy mélyakna
● 3 szintes, 32 m mély
földalatti építmény (1951-)
● Tesztelésre alkalmas:
magas páratartalom
több egymás alatt elhelyezkedő
táró
● Korábbi eredmények:
Szögeloszlás mérések:
Király P.: Kozmikus sugárzás
vizsgálata 40 méter vízekvivalens
mélységben (1963)
Forbush effektus (> 10 GeV)
20

Méréseink: Molnár János barlang


Budapest kincse: Molnár János barlang
● Termál barlang a városban
● Új barlang: 10-100 ezer éves
● 99%-a víz alatt van
● több forrás is táplálja.
● 1860: Molnár János patikus
● 1977: Kessler Hubert, 180m
● Jelenleg: 6000-7000m



Virtuális túra Barnaföldi GG: Kincskeresés kozmikus müonokkal - VPG 2012.10.27 38

Mérések a Molnár János barlangban
Run_162
Run_164 Run_163

Run_162 Run_164 Run_163


Run_162: 1 hónap, 80k esemény
Run_162


Run_163: 3 hét, kb. 800k esemény
Run_163


Hasonlóság a domborzattal
● Térképezés (GPS):
● 3 cm-es pontosság(!)
● Saját szintvonal térkép
● A kőzet vastagságának
megadása 0,5-1 m
pontossággal
● Korrigált szögeloszlás
● A kőzet vastagsága
arányos az adott
irányú elnyelődéssel
● Látszik a hasonlóság a
domborzattal!

Rózsadomb domboldal


Méréseink: Ajándék barlang, Pilis


Pilis kincse: Ajándék barlang


● Ajándék barlang (Ariadné):
természetes barlangrendszer a
Pilisben
Feltárások:1973-2012
Magyarország egyik legnagyobb
barlangrendszerének tagja.


Méréseink: Ajándék barlang, Pilis


Mérési környezet paraméterei
● Ajándék barlang (Ariadné):
természetes barlangrendszer a
Pilisben
Feltárások:1973-2012
Magyarország egyik legnagyobb
barlangrendszerének tagja.
● Mérés:
2-4 m-es rejtett járatokat
keresünk
50 nap mérési adat (!)
Gázrendszer és akkumulátorok a
barlang bejáratánál 100 m kábel

A Pilisi hegyoldal rekonstrukciója

● Müon fluxus binenkénti
statisztikus hibával
● Müon hozam
Nyugat felé tolódik

A Pilisi hegyoldal rekonstrukciója
● A Pilis hegyoldal alulról
● Piros vonalak:
GPS alapján számított
kőzetvastagság

● Árnyékolás:
Mért müonok száma,
ami a mélységre utal


Méréseink: Kőbánya alagútrendszere


Kőbánya kincse: kőbányai alagutak


Kőbánya alagútrendszere feletti anyag


ALICE és REGARD
KUTATÓINK
BGG1, Bámer Csaba2, Bencze György1, Bencédi Gyula1,2, Hamar Gergő1,
Horváth Péter1, Kiss Gábor2, Kovács Levente1,2, László András1, Lévai Péter1,
Lipusz Csaba1, Márton Krisztina2, Melegh Hunor3, Oláh László2,
Surányi Gergely4, Varga Dezső2, Zalán Péter1

RÉSZTVEVŐ INTÉZETEK
1
MTA Wigner KF Részecske- és Magfizikai Intézet
2
Eötvös Loránd Tudományegyetem, Komplex Rendszerek Fizikája Tsz.
3
Budapesti Műszaki és Közgazdagságtani Egyetem,
4
MTA-ELTE Geológiai, Geofizikai és Űrtudományi Kutatócsoport,


ALICE és REGARD
Köszönjük a
KUTATÓINK
figyelmet!
BGG1, Bámer Csaba2, Bencze György1, Bencédi Gyula1,2, Hamar Gergő1,
Horváth Péter1, Kiss Gábor2, Kovács Levente1,2, László András1, Lévai Péter1,
Lipusz Csaba1, Márton Krisztina2, Melegh Hunor3, Oláh László2,
Surányi Gergely4, Varga Dezső2, Zalán Péter1

RÉSZTVEVŐ INTÉZETEK
1
MTA Wigner KF Részecske- és Magfizikai Intézet
2
Eötvös Loránd Tudományegyetem, Komplex Rendszerek Fizikája Tsz.
3
Budapesti Műszaki és Közgazdagságtani Egyetem,
4
MTA-ELTE Geológiai, Geofizikai és Űrtudományi Kutatócsoport,


Összegzés: REGARD müontomográf
● Nagyléptékű szerkezetvizsgálat kozmikus részecskékkel.
● Megvalósítás:
Detektor:
●kozmikus müonok detektálására;
● nagy sűrűségű tárgyak leképezésére müonokkal;

● talaj inhomogenitások és földalatti üregek kimutatásásra.

● Precizitás:

● 1-2 cm-es helyfelbontás;

● 2-3 °-os szögfelbontás.

Mobilis (< 50 kg).
Költséghatékony.
Alacsony energia felhasználású.

Köszönetnyilvánítás
TÁMOGATÓK
OTKA NKTH
CK A08-77719, A08-77718, NK-77816

TOVÁBBI KÖSZÖNET
Adamkó Péter,
Rózsabombi Kinizsi SE,
Ariadne Karszt- és Barlangkutató Egyesület,
Bognár Csaba.
Dreher Sörgyárak Zrt.


Célok, megvalósítás
● Kutatásunk célja:
● Földalatti üregek keresése
● Domborzat rekonstrukció

● Hordozható müonteleszkóp:
● Precizitás:
– Helyfelbontás: 1.5 mm
– Szögfelbontás: 10 mrad
● Használat magas (~100%)
páratartalmú környezetben
● Költség és energia
hatékonyság (< 5 W)
10

Adatgyűjtő rendszer (DAQ)
● PIC32 alapú DAQ HMI
● Minden funkció egy fő alaplapba van
integrálva
● Kis egység:
középső CCC kamrák közé helyezve
● Nagy-feszültségű tápegység:
1100 V a jelszálaknak, -600 V a PS
térformáló szálaknak és a katódnak
● Teljes energia fogyasztás:
380 mA 12 V-on (< 5 Watt)
● Trigger elektronika:
● CCC kamrák jelszálainak közös jele
biztosítja DAQ triggert HV
● trigger hatásfok: 93.1 %

14

Adatgyűjtő rendszer (DAQ)
● PIC32 alapú DAQ
● Minden funkció egy fő alaplapba van
integrálva
● Kis egység:
középső CCC kamrák közé helyezve
● Nagy-feszültségű tápegység:
1100 V a jelszálaknak, -600 V a PS
térformáló szálaknak és a katódnak
● Teljes energia fogyasztás:
380 mA 12 V-on (< 5 Watt)
● Trigger elektronika:
● CCC kamrák jelszálainak közös jele
biztosítja DAQ triggert
● trigger hatásfok: 93.1 %

15

BpSM 2012.11. - Barnaföldi Gergely Gábor: Kincskeresés kozmikus részecskékkel

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Plus de Budapest Science Meetup

Plus de Budapest Science Meetup (20)