Jag Trasgo Ucm090522

Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. U.Complutense de Madrid. 22.5.2009

Proyecto

1

Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. U.Complutense de Madrid. 22.5.2009[http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Structure_of_the_magnetosphere_mod.svg]

GCR: Galactic Cosmic Rays


Los Rayos Cósmicos en la atmósfera

Relación altitud-espesor másico30 km105

10

200

100

20

1000gr/cm2

500


Rayos Cósmicos Primarios: Espectro y composición

Knee

[PDG]

K


Rayos Cósmicos Primarios: Espectro en energía

Knee

1 Partícula/m2-año

1 Partícula/km2-siglo

1 Partícula/km2-año


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


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][

http://www.jaea.go.jp/04/nsed/ers/radiation/rpro/EXPACS/main-up-eng.htm%5D


Estudio del campo geomagnético terrestre

Lineas isocósmicas (misma intensidad de rayos cósmicos)

Lineas isomagnéticas: Modelo


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.


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


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


UHENP: Ultra High Energy Atmospheric Nuclear Physics

Interacción nuclear inicial en la alta atmósfera


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):


Detección de Cascadas Atmosféricas


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


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



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



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)


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>


Ejemplo: Experimento Pierre Auger (Argentina)

Detectores de Fluorescencia

Tanques Cherenkov para la detección de partículas cargadas


Proyecto


PROPUESTA:

El TRASGO(TRacks reconStructinG mOdule )


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


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.


EL TRASGO: Las RPCs

900mm

RPCs

900mm

Canal de ventilación

(Disposición tentativa)


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


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


timtrack

timtrack

timtrack

timtrack

timtrack

timtrack

timtrack

timtrack

timtrack

timtrack

timtrack

Hacia un nuevo concepto en elrastreo de particulas cargadas


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


Ajuste de trazas : Término de coordenadas

Una traza se puede reconstruir a partir de las posiciones de loselectrodos


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


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


Condición de Mínimo Chi cuadrado:


Coeficientes dependientes del detector:


Coeficientes dependientes de los datos:


Trasgo:Identificación de partículas

Posible separación e/µ mediante absorbentes

Buena reconstrucciónBuena reconstrucción

solo en los primeros planos

Fe oPb


MIDAS: Multi sampling Identification of pArticleS

Electrones(M. ScatteringAn. Residuos)

Muones

Posible separación de masas a través del análisisde velocidadesy residuos


MIDASSeparación de electrones y muones atmosféricos mediante

timtrack

Teresa Kurtukian

U. Burdeaux

TRASGO 1ª Reunión de Trabajo

Santiago de Compostela, 19 diciembre 2008


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


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.


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


20 trazas generadas (e-, a 0.5GeV)5 absorbentes de Pb, 1cmAjustes a trayectorias rectas


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


Relación Velocidad-Chi2Protones de 0.5GeV5 absorbentes de Pb de 1cm


Relación Velocidad-Chi2Muones de 10 GeV5 absorbentes de Fe de 1cm


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)


Trasgo: Modelo precursorEl muro de RPCs de HADES

RPC double layer

Acceptance close to 100%

~200 cells


RPC de HADES, con 4 TRBs

Prototipo operativo

432 canales

Sistema de lecturaTRB (Tdc Readout Bord)

128ch/TRB4x128 = 512 canales

+ 1 PC


La cadena de adquisición de las RPCs de HADES

50


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


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


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


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


y...

Proyecto


Meiga


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


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


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


Somewhere over the rainbow, skies are blue

And the dreams that you dare to dream , really do come true

(El mago de Oz)


FIN(por ahora)


Otra aplicación: Calibración de detectores

Ejemplo: Antares/Km3


Outlook

- The LabCAF Group- Team- Lines of Work- Main recent Research and Training Results- Infrastructure

- Project- Extension of Present Lines- New Lines of Work

- The Trasgo Project- The Meiga Project

- Shedule- Budget and Needs- Other uses

- Summary

64


Texto

65

Team

Team

66

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

M. Zapata. Technitian (50%)

Other membersDr. Jose Lámas-Valverde

J.A. Garzón (Prof.)P. Cabanelas. HADES: Software & Analysis

D. Belver. HADES: FEEM. F.Morales: Ceramics RPCs

G. Kornakov: HADES

70

Los rayos cósmicos y el clima

Helada en Londres en 1684

71


72


Muchos modelos con necesidad de ingredientes....

73

p

U

Fe

Be

Ca

e

He

?

ν

�

e+

?

p− Li

B

BigBang

75

EMMA (Experiment with Multi Muon Array)Mina de Pyhäsalmi, Finlandia

Motivación: - Las composición y el origen de los rayos cósmicos en la zona de la rodilla, y por encima de ella no están bien conocidos

Procedimiento:- Estudiar a 85m bajo tierra (240mwe) los muones producidos en las cascadas atmosféricas (umbral de 50GeV)- Analizar la distribución lateral de densidad para determinar la masa y la energía del rayo cósmico primario- Cubre unos 150m2 (9x15m2) de superficie con cámaras de muones (recuperadas de DELPHI)- Resolución espacial: 2cm, en 2 planos- Resolución angular 1º-

Distribución lateral para P y Fe

76

ARGO-YBJ

Un experimento con RPCs:

Distribución lateral para Pde distintas energías

77

Measurements of air showers in the energy range E0 = 100 TeV - 1 EeV

KASCADE-Grande= KArlsruhe Shower Core and Array DEtector + Grande

and LOPES

78

The experimental set-upDetectorDetector Detected EAS Detected EAS

componentcomponentSensitive area Sensitive area (m2)(m2)

GrandeGrande Charged particlesCharged particles 37x1037x10

PiccoloPiccolo Charged particlesCharged particles 8x108x10

KASCADE array KASCADE array e/e/©©

Electrons, Electrons, ©© 490490

KASCADE array KASCADE array ⎧⎧ MuonsMuons

(E(E⎧⎧thth=230 MeV)=230 MeV)

622622

MTDMTD Muons (Tracking) Muons (Tracking) (E(E⎧⎧thth=800 MeV)=800 MeV)

3x1283x128

MWPCs/LSTsMWPCs/LSTs Muons Muons

(E(E⎧⎧thth=2.4 GeV)=2.4 GeV)

3x1293x129

LOPES 30LOPES 30 RadioRadio

Trigger Plane Muons

(E⎧th=490 MeV)

208

Calorimeter Hadrons 9x304

The strength of KASCADE-Grande is the multi observables information

79

RESUMEN

- Muchos experimentos- Mucho usos- Mucho rango de energías- Muchos observables- Muchas técnicas diferentes

80

Capacidad de 1 trasgo:

- Robustos- Baratos- Excepcional relación prestaciones/precio-1 Trasgo ofrece:- Detección de hasta ~500/1000 partículas de un EAS

con: Resolución temporal < 50psResolución angular < 0.5o

-Cierta capacidad de identificación e/µ- 1 único Trasgo permite:- Medir multiplicidades de Rayos Cósmicos- Medir distribución angular de R.Cósmicós y dependencia temporal

(medir efecto Este-Oeste)-Medir estructura temporal de EAS-Medir correlaciones tiempo de llegada - ángulo de incidencia en EAS

-Capacidad de muchos trasgos:

EL TRASGO

81






-Capacidad de muchos trasgos:

EL TRASGO

82






-Capacidad de muchos trasgos: Enorme!

EL TRASGO

Jag Trasgo Ucm090522

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