Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
Proyecto
1
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009[http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Structure_of_the_magnetosphere_mod.svg]
GCR: Galactic Cosmic Rays
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Los Rayos Cósmicos en la atmósfera
Relación altitud-espesor másico30 km105
10
200
100
20
1000gr/cm2
500
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Rayos Cósmicos Primarios: Espectro y composición
Knee
[PDG]
K
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Rayos Cósmicos Primarios: Espectro en energía
Knee
1 Partícula/m2-año
1 Partícula/km2-siglo
1 Partícula/km2-año
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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
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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
www.jaea.go.jp/04/nsed/ers/radiation/rpro/EXPACS/main-up-eng.htm][
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Estudio del campo geomagnético terrestre
Lineas isocósmicas (misma intensidad de rayos cósmicos)
Lineas isomagnéticas: Modelo
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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.
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Estudio de la actividad solarInuvik Neutron Monitor
[neutronm.bartol.udel.edu//listen/main.html#detect]Actividad solar e intensidad de neutrones detectados en el monitor
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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
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UHENP: Ultra High Energy Atmospheric Nuclear Physics
Interacción nuclear inicial en la alta atmósfera
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Análisis de rayos cósmicos primariosPor 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):
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Detección de Cascadas Atmosféricas
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Desarrollo de cascadas atmosféricas
Cascadas atmosférias generadas por un fotón, un protón y un núcleo de Fe
FePγ
[HRebel]
Caracterización:Energía → Posición de Nmax (D. Fluorescencia)
→ Densidad de partículas
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Caracterización y medida de cascadas
Se producen grandes fluctuaciones entre cascada y cascada
Simulación de 50 cascadas atmosféricas inducidas por un protón de 1 PeV
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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
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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)
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Caracterización y medida de cascadasEjemplo: Diversas estimaciones de masa por distintos experimentos
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.
[CCOU02]
<Mas
a>
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Ejemplo: Experimento Pierre Auger (Argentina)
Detectores de Fluorescencia
Tanques Cherenkov para la detección de partículas cargadas
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Proyecto
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PROPUESTA:
El TRASGO(TRacks reconStructinG mOdule )
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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
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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 medidade 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.
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EL TRASGO: Las RPCs
900mm
RPCs
900mm
Canal de ventilación
(Disposición tentativa)
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EL TRASGO: Las RPCs
Características aproximadas:
- Timing RPC de 2 gaps de 0.30mm conmezcla 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
900mm
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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
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timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
timtrack
Hacia un nuevo concepto en elrastreo de particulas cargadas
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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
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Ajuste de trazas : Término de coordenadas
Una traza se puede reconstruir a partir de las posiciones de loselectrodos
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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
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Ajuste de trazas : Término de tiempos, extremo 2
La reconstrucción de una traza y su velocidad se puede mejorarMediante la lectura de tiempos en el otro extremo de cada electrodo
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Condición de Mínimo Chi cuadrado:
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Coeficientes dependientes del detector:
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Coeficientes dependientes de los datos:
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Trasgo:Identificación de partículas
Posible separación e/µ mediante absorbentes
Buena reconstrucciónBuena reconstrucción
solo en los primeros planos
Fe oPb
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MIDAS: Multi sampling Identification of pArticleS
Electrones(M. ScatteringAn. Residuos)
Muones
Posible separación de masas a través del análisisde velocidadesy residuos
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MIDASSeparación de electrones y muones atmosféricos mediante
timtrack
Teresa Kurtukian
U. Burdeaux
TRASGO 1ª Reunión de Trabajo
Santiago de Compostela, 19 diciembre 2008
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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 Ip0,1 99 6 20,2 97 3 1,50,5 86 1 0,9
1 69 0,38 0,512 45 0,12 0,255 20 0,02 0,08
10 8,6 - 0,03
distinguir entre muones y electrones siendo su rango de energ as muy distinto
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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.
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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 grandesresiduos y gran multiple scattering)
• Se determina la velocidad “aparente” en la direccion del movimiento
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20 trazas generadas (e-, a 0.5GeV)5 absorbentes de Pb, 1cmAjustes a trayectorias rectas
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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
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Relación Velocidad-Chi2Protones de 0.5GeV5 absorbentes de Pb de 1cm
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Relación Velocidad-Chi2Muones de 10 GeV5 absorbentes de Fe de 1cm
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MIDAS :Resultados preliminares
Energy ParticleResX ResY ResX ResY
10GeV m u 0,2 0,2 0,12 0,125GeV m u 0,3 0,4 0,24 0,232GeV m u 0,9 0,9 0,62 0,61GeV m u 1,8 1,7 1,21 1,18
500M eV m u 3,9 4,0 2,54 2,65e 3,8 3,5 2,49 2,5p 1,4 1,4 0,98 0,97
200M eV m u - - 10,25 10,01e 10,4 10,4 6,55 6,41p 0,4 0,4 0,29 0,28
100M eV m u - - - -e - - 15,31 14,93p 0,2 0,2 0,14 0,14
Abs Fe (10mm)
Abs Fe (5mm)Energy Particle
ResX ResY ResX ResY10GeV m u 0,3 0,3 0,22 0,225GeV m u 0,7 0,6 0,44 0,432GeV m u 1,6 1,6 1,15 1,061GeV m u 3,5 3,5 2,27 2,31
500M eV m u 7,0 6,9 4,49 4,86e 7,0 7,0 4,65 4,87p 2,6 2,6 1,82 1,8
200M eV m u - - 21,92 22,16e 25,0 28,6 12,86 13,24p 0,8 0,8 0,54 0,51
100M eV m u - - - -e - - - -p 0,4 0,4 0,27 0,26
Abs Pb (10mm)
Abs Pb (5mm)
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Trasgo: Modelo precursorEl muro de RPCs de HADES
RPC double layer
Acceptance close to 100%
~200 cells
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RPC de HADES, con 4 TRBs
Prototipo operativo
432 canales
Sistema de lecturaTRB (Tdc Readout Bord)
128ch/TRB4x128 = 512 canales
+ 1 PC
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La cadena de adquisición de las RPCs de HADES
50
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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 dela comunicación con el exterior.
El procesador puede albergar los programasde reconstrucción de trazas
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Eficiencia de reconstrucción en un Trasgo para diferentes número de planos, anchura de los electrodos y eficiencias de celda
Efic(RPC)
NumPlanos
NPlan (Track)
∆(electrodo) Num
TRB/ch
Intensidad incidente de R. Cósmicos:
100/m2/5µs 200/m2/5µs 500/m2/5µs 1000/m2/5µs
1 4 3 5cm 1/128 0.99 0.98 0.89 0.701 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 0.570.9 4 3 2.5cm 2/256 0.93 0.92 0.86 0.771 8 5 5cm 2/256 0.99 0.98 0.91 0.721 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 0.710.9 8 5 2.5cm 4/512 0.99 0.99 0.97 0.911 8 3 5cm 2/256 1 1 1 0.991 8 3 2.5cm 4/512 1 1 1 1
0.9 8 3 5cm 2/128 1 1 1 0.980.9 8 3 2.5cm 4/512 1 1 1 1
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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
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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. UDCS. Meteorologia de la USC-Xunta de Galicia
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y...
Proyecto
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Meiga
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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
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Densidad/m2 Energía(eV) Frec/m2.dia Radio(m) Superfiice (m2) NClusters/día/m2
1015 0.03 30 3 103 1001016 3 10-4 150 7 104 201017 3 10-6 330 3.5 105 1>5
1018 3 10-8 650 1.3 106 0.04
Total:~120
1015 3 10-2 20 103 301016 3 10-4 100 3 104 91017 3 10-6 280 2.5 105 0.75> 10
1018 3 10-8 550 106 0.024
Total:~40
1015 3 10-2 10 3 102 101016 3 10-4 80 2 104 61017 3 10-6 250 2 105 0.6> 17
1018 3 10-8 480 7 105 0.021
Total:~16
1016 3 10-4 60 104 31017 3 10-6 200 105 0.3
> 30 Total:~3
1018 3 10-8 400 5 105 0.015
1016 3 10-4 50 8 103 2.41017 3 10-6 160 8 104 0.24
> 40 Total:~2.5
1018 3 10-8 350 4 105 0.012
1016 3 10-4 30 3 103 11017 3 10-6 110 4 104 0.12
> 100 Total:~1
1018 3 10-8 280 2.5 105 0.01
Flujo de Rayos Cósmicos al nivel del mar
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Meiga
50mNpart>90/m2
E=1016eVFrec: 0.0003m2.dia
3/ha.dia
Npart>4/m2
E=1015eVFrec: 0.03/m2.dia
300/ha.dia
Npart>4/m2
Npart>400/m2
E=1017eVFrec: 0.000003/m2.dia
0.03/ha.dia10/ha.año
Npart>200/m2
Npart>120/m2
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Somewhere over the rainbow, skies are blue
And the dreams that you dare to dream , really do come true
(El mago de Oz)
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Otra aplicación: Calibración de detectores
Ejemplo: Antares/Km3
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. E. Politécnica, Ferrol 30.9.2009
FIN(por ahora)
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