Juan Carlos Arteaga VelázquezInstituto de Física y MatemáticasUniversidad Michoacana de SNH

El experimento KASCADE-Grande: resultados preliminares

Seminario, Marzo del 2010, ICN, UNAMKascade Grande- J.C. Arteaga

Estructura

El experimento KASCADE-Grande: resultados preliminares

Juan Carlos Arteaga VelázquezInstituto de Física y MatemáticasUniversidad Michoacana de SNH

1) Introducción

2) Detección

3) Rayos cósmicos galácticos

4) Experimento KASCADE

4) Experimento KASCADE-Grande

5) Resultados

6) Resumen

Seminario, Marzo del 2010, ICN, UNAMKascade Grande- J.C. Arteaga

¿Qué son los rayos cósmicos?

1) Electrones

2) Núcleos atómicos

3) Neutrones

1) Introducción e historia

E = GeV – 1020 eV

1900-1901. C. T. R. Wilson, J. Elster y H. Geitel

Problema de descarga de electroscopios: Fuente

desconocida de iones en aire.

Rutherford

Radiación de material radioactivo del medio y el

aparato.

1903. Rutherford, Mc Lenard, Burton, Cooke

Razón de descarga disminuye al aislar electroscopio.

1) Introducción e historia

Razón de descarga disminuye al aislar electroscopio.

Ionización debida a “radiación penetrante” del

medio (roca y aire)

Si proviene de roca: Rayos γ y coef. De

absorción en aire conocidos (10-5 cm-1)

→ Después de 80 m en aire sólo 50%

→ No radiación en Torre Eiffel a 330 m.

1910. Padre Jesuita Theodor Wulf

A 330 m ionización decae hasta 60%.

Gockel

Primer vuelo en globo aerostático.

1) Introducción e historia

Primer vuelo en globo aerostático.

“Radiación penetrante” presente hasta

4 km s.n.m.

1911-1912. V. Hess

Ascensos en globo hasta 5 km s.n.m.

Ionización se incrementa con altura

“radiación de gran poder de penetración

entra a la atmósfera desde el exterior”

Altura (km)

Ion

iza

ció

n (

rel.

a n

.m.)

1923-1926. R. A. Milikan

Experimentos en lagos a diferentes altitudes:

Descartan al aire como fuente de radiación.

No variación diurna.

“evidencia a favor de rayos de origen cósmico

que entran a la Tierra uniformemente de

todas direcciones.”

1) Introducción e historia

todas direcciones.”

1930´s. W. Kolhörster

Reporta señales en coincidencia en contadores

Geiger-Müller con separación de hasta 75m

P. Auger y colaboradores

Jungfraujoch, Suiza, 3500 m s.n.m.

Contadores Geiger-Müller: Coincidencias hasta

300 m (∆t ∼ 1 µs) .

“Representan efectos secundarios de chubascos

que partículas primarias producen cuando entran

1) Introducción e historia

que partículas primarias producen cuando entran

a la alta atmósfera” (Ne ∼ 106 => E ∼ 1015 eV)

1) Introducción e historia

Chubascos de partículas

2) Detección

1/año.m2

1/siglo.km2

1/año.km2

Detección directa

Detección indirecta a través de chubascos atmosféricos

2) Detección

2) Detección

Energía Dirección arribo

2) Detección

<Composición>

Detección

(Número partículas y tiempo arribo)

Se interpretan datos en base a simulaciones de MC

(chubascos + detector)

Cuál es el origen de la rodilla?

Cuál es la fuente de los rayos cósmicos con E = 1015 – 1018 eV ?

Composición?

3) Rayos cósmicos galácticos

Transición galáctica a extragláctica?

Segunda rodilla (~1017 eV )?

Rodilla Tobillo2da. Rodilla

3) Rayos cósmicos galácticos

Difusión Aceleración Interacción

Problema de la “rodilla”

Efecto de interacciones

nuevas (creación nuevas

partículas => Decaimiento)

Erodilla~ A

Llega a un máximo la

energía

Escape de la galaxia

Erodilla ~ Ze x ββββs x B x vs x TErodilla ~ Ze x B x R

„Bias“ entre experimentos

directos e indirectos

Incertidumbres en E

Problema de la “rodilla”

Claves:

- Espectro de energía

- Composición

- Distribución de direcciones de arribo

- Modelos hadrónicos.

4) Experimento KASCADE

KASCADE (“Karlsruhe Shower Core andArray Detector”)

Componentes:

- Red con 252 detectores decentelleo (e/γ y/o µ).

- Detector central (Calorímetro, det. de muones).

- “Muon tracking detector”.

200 m

200 m- “Muon tracking detector”.

Observables:

- Electrones, muones y hadronesen chubasco.

Región de energía:

1014-1017 eV.13 m

200 m

4) Experimento KASCADE

Medición simultánea de e/γ y µen chubasco

4) Experimento KASCADE: Espectro de energía y rodilla

Rodilla ≈ 4 PeV

T. Antoni et al., Astropart. Phys. 24 (2005) 1

4) Experimento KASCADE: Espectro de energía y composición

A

E

Problema: Encontrar E y A de los RC primarios partir de Ne y Nµ.

T. Antoni et al., Astropart. Phys. 24 (2005) 1

4) Experimento KASCADE: Espectro de energía y composición

T. Antoni et al., Astropart. Phys. 24 (2005) 1

Resultados principales independientes del método o modelo:-) Rodilla producida por elementos primarios-) Posición de rodilla cambia con elemento

4) Experimento KASCADE: Espectro de energía y composición

Resultados principales independientes del método o modelo:-) Rodilla producida por elementos primarios-) Posición de rodilla cambia con elemento-) Modelos de interacción no describen satisfactori amente datos

4) Experimento KASCADE: Espectro de energía y composición

Espectros individuales se extienden de forma suave hasta altas energías

�¿Emax ∝ Z ó A?

� ¿Dónde está la “rodilla” de la componente pesada?

� ¿Dónde está la transición galáctica-extragaláctica?

� ¿Dónde está la segunda rodilla?

Rodilla Fe (~1017 eV )?

4) Experimento KASCADE: Espectro de energía y composición

Transición componente galáctica a extragaláctica

4) Experimento KASCADE: Espectro de energía y composición

Hillas: Extrapolación no suficiente para explicar espectro total de rayos cósmicos.

� ¿Contribución de elementos ultrapesados (> AFe)?

� ¿Nuevas fuentes galácticas?

5) Experimento KASCADE-Grande

KASCADE-Grande (Karlsruhe Shower Core and array detector) E = 1016 - 1018 eV

• Area KG: 0.5 km2

KASCADE

• Area KG: 0.5 km2

• 37x10 m2 Detec. Centelleo• Separación: 140 m•Observables: Ne, Nµ, edad, (xc, yc), (θ, ϕ).

5) Experimento KASCADE-Grande: Sistemáticos

F. Cossavella et al., ICRC (2007)

5) Experimento KASCADE-Grande: Sistemáticos

J.C. Arteaga et al., ICRC (2009)

5) Experimento KASCADE-Grande: Sistemáticos

S. Over et al., ICRC (2007)

5) Experimento KASCADE-Grande: Densidades partículas cargadas

Distribución lateral de un evento medido con KASCADE-Grande: E ≈ 2⋅1017eV, Θ=33o

F. Di Pierro et al., ICRC (2007)

6) Resultados: Densidades partículas cargadas

F. Di Pierro et al., ICRC (2007)

6) Resultados: Densidades muones

6) Resultados: Densidades muones

V. De Souza et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

6) Resultados: Densidades muones

V. De Souza et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

No cambio abrupto en composición

Log Ne = [6.49, 6.74]θ = [0°, 23.99°]

6) Resultados: Distribución Nµ/Ne

E. Cantoni et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

Datos se describen mejor con tres componentes

6) Resultados: Anisotropías

No se observan fuentes puntuales

S. Over et al., ICRC (2007)

Cuatro estudios independientes:

1) Reconstrucción con Nch,

2) Nµ,

3) S(500),

4) Nch - Nµ.

Estudios:

6) Resultados: Espectro de energía

Estudios:

1) Confrontar mediciones realizadas con diferentes subdetectores

2) Revisar procedimientos de reconstrucción

3) Revisar influencia de errores sistemáticos

4) Probar sensibilidad de observables a composición

5) Poner a prueba validez de Modelos Hadrónicos

6) Resultados: Espectro (Método CIC, Nch)

Se mide N Se extrae long. de atenuación ySe mide Nch Se extrae long. de atenuación yse corrige Nch

Se calibra Nch con Energía usando MC asumiendo cierta composición.

6) Resultados: Espectro (Método CIC, Nch)

D. Kang et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

6) Resultados: Espectro (Método CIC, Nµ)

Se mide N y se corrige por Se extrae long. de atenuación ySe mide Nµ y se corrige por sistemáticos

Se extrae long. de atenuación yse corrige Nµ

Se calibra Nµ con Energía usando MC asumiendo cierta composición.

6) Resultados: Espectro (Método CIC, Nµ)

J.C. Arteaga et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

6) Resultados: Espectro (Método CIC, S(500))

MC data

En KG: A distancia de 500 m del núcleo de chubasco , densidad de partículas cargadas es independiente de composición.

Se mide ρ(500 m) Se extrae long. de atenuación y

6) Resultados: Espectro (Método CIC, S(500))

Se mide ρ(500 m) Se extrae long. de atenuación yse corrige ρ(500 m)

Se calibra ρ(500 m) con Energía usando MC indep. de composición

6) Resultados: Espectro (Método CIC, S(500))

G. Toma et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

Para cada grupo de masa:

6) Resultados: Espectro (Nch - Nµ)

Dep. de composición:

MC data

Para cada grupo de masa: Energía se calcula de Nµ y Nch

usando MC

Anális indep. de composición. Serealiza para varios ángulos cenitales y al final se suman espectros

Dep. de composición: Clasificación de acuerdo a valor de Nµ y Nch

6) Resultados: Espectro (Nch - Nµ)

M. Bertaina et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

6) Resultados: Espectro

A. Haungs et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

Ley de potencias no describe

todos los datos:

E = 1016 - 1018eV.

Espectros derivados de Nch and

Nµ : Abundancia de composición

pesada.

6) Resultados: Espectro

Datos no pueden ser descritos

asumiendo composición pura.

Modelo Hadrónico QGSJETII/

FLUKA es intrínsecamente

consistente.

6) Resultados: Espectro

A. Haungs et al., ICRC (2009), astro-ph 0906.4007

Diferentes métodos:

-Densidades locales de muones.

- Investigaciones con muones de altas energías

- Combinación de Nch y Nµ.

6) Resultados: Composición

- Combinación de Nch y Nµ.

- Clasificación mediante Nµ/Ne.

- Deconvolución de espectros para Ne y Nµ.

� Nuestra comprensión sobre el origen, el mecanismo de producción y

aceleración de los rayos cósmicos galácticos y su propagación es aún incompleto.

� KASCADE-Grande buscará “rodilla” en componente pesada.

� Reconstrucción de espectro total de energía en KG realizada con cuatro

métodos diferentes: Nch, Nµ, S(500), Nch-Nµ.

� Espectros de KG son consistentes entre sí.

7) Resumen

� Espectros de KG son consistentes entre sí.

� Acuerdo entre espectros de KG se da en región de componente pesada.

� Análisis de composición en progreso.

¡Nuevos experimentos en progreso!

7) Resumen

piering