Het Eind in Zicht. David Fokkema. Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef) 5 April, 2012 / HiSPARC Symposium, Da Vinci College

Transcriptie

1 Het Eind in Zicht David Fokkema Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef) 5 April, 2012 / Symposium, Da Vinci College David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

2 Meest Zichtbaar: Aurorae David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

3 Deeltjes, Geen Straling Ballonvluchten met fotografisch emulsies nemen de oorspronkelijke deeltjes en/of straling waar Voornamelijk protonen en zwaardere ionen. Ook: elektronen, fotonen, maar minder. Voornamelijk deeltjes! (Geen straling, dus) David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

4 Showers Bij botsingen ontstaan vele exotische deeltjes... die zelf weer botsen... of vervallen tot andere deeltjes David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

5 Showers Geen enkel primair deeltje bereikt de grond Alle energie wordt verdund en geabsorbeerd Tot er haast niets overblijft David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

6 Video Video David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

7 Energiespectrum 10 4 LEAP Flux [m 2 sr 1 s 1 GeV 1 ] PROTON Yakutsk Haverah Park Fly s Eye AGASA Energie [ev] drempel bij ev David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

8 Bronnen: de Zon David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

9 Bronnen: Super Nova Remnants (SNR) David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

10 Bronnen: Active Galactic Nuclei (AGN) Ontdekt in 1781 door Charles Messier David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

11 Bronnen: Active Galactic Nuclei (AGN) Ontdekt in 1781 door Charles Messier M87, Virgo A, NGC 4486: a supergiant elliptical galaxy David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

12 Bronnen: Active Galactic Nuclei (AGN) Ontdekt in 1781 door Charles Messier M87, Virgo A, NGC 4486: a supergiant elliptical galaxy Een superzwaar zwart gat drijft de AGN aan De jet is ten minste 5000 ly groot. David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

13 Showers die de Grond Raken Geen enkel primair deeltje bereikt de grond Maar de overige deeltjes? David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

14 Extensive Air Showers (EAS), (E = 1 PeV) 1,000 muons 500 [m] ,000 1, ,000 [m] David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

15 Extensive Air Showers (EAS), (E = 1 PeV) 1,000 muons electrons 500 [m] ,000 1, ,000 [m] David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

16 Extensive Air Showers (EAS), (E = 1 PeV) 1, muons electrons gammas [m] ,000 1, ,000 [m] David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

17 High School Project on Astrophysics Research with Cosmics HiSP RC Kosmische straling veroorzaakt Extensive Air Showers Grootschalig, grofmazig netwerk van stations geplaatst op scholen en onderzoeksinstituten Scintillatoren detecteren deeltjes die de grond bereiken Resultaten worden verstuurd over het internet David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

18 Detector 0.5 m 1 m BC-408 organische scintillator fishtail lightguide (zelfde brekingsindex) PMT (12 V, 10 dynodes) ingepakt in aluminium- en plastic folie in een skibox David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

19 Nederland 7 clusters (Amsterdam, Eindhoven, Enschede, Groningen, Leiden, Nijmegen en Utrecht) 100 (!) stations David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

20 Europa en daar buiten 4 clusters buiten Nederland (Aarhus, Bristol, Durham en Hanoi) 1 onderzoeksstation bij KASCADE (Karlsruhe) David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

21 Energieverlies Energieverlies [ MeV cm 2 g 1] µ βγ David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

22 Energieverlies Energieverlies [ MeV cm 2 g 1] µ 10 0 e βγ David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

23 0 Transmissie van Scintillatielicht 2010/01/ % 29 % 42 % /01/ Monte Carlo simulatie van lichtpaden Transmissie µ 28 %, σ 4 % David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

24 Eigenschappen van het Pulsehoogte Histogram 10 5 Aantal ,000 Pulshoogte [mv] Getriggered op showers (bij KASCADE) David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

25 Eigenschappen van het Pulsehoogte Histogram Aantal ,000 Pulshoogte [mv] Electronen en muonen in showers zijn minimum ionizing Landau distributie (geconvolueerd met normale verdeling) Lange staart door multi-mip signalen David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

26 Eigenschappen van het Pulsehoogte Histogram Aantal ,000 Pulshoogte [mv] Paar creatie, Compton scattering and fotoelektisch effect Lage detectie kans Kan worden benaderd met exponentiële verdeling David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

27 Aankomsttijd Distributies: e/µ vs γ γ γ e/µ γ γ e/µ e/µ e/µ t 1 t 2 [ns] γ : σ = 32 ns e/µ : σ = 14 ns Distributie veel breder voor γ s γ s arriveren later dan e/µ David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

28 Bonus? David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

29 Docenten Meer dan 20 docenten hebben de afgelopen vier jaar deelgenomen aan het programma FOM Leraren in Onderzoek. Eén dag in de week doen zij onderzoek binnen de groep. ʻLeraar in Onderzoekʼ Leraar in Onderzoek Leraar in Onderzoek Hoogenergetische Kosmische Straling Hoogenergetische Kosmische Straling Hoogenergetische Kosmische Straling 5 oktober oktober oktober 2011 David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

30 Conclusies Kosmische straling is een bijzonder fenomeen biedt leerlingen en docenten de kans om deel te nemen aan wetenschappelijk onderzoek naar kosmische straling We meten elektronen, muonen en fotonen Met één (ster-) station kun je al de oorsprong van een shower bepalen David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

31 Bonus! David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

32 Research Station Layout 1 10 m GPS 2.89 m 5.77 m Gelijkzijdige driehoek Drie hoekdetectoren gebruikt voor reconstructie van shower oorsprong 10 m David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

33 Research Station Layout 1 10 m GPS 2.89 m 5.77 m Gelijkzijdige driehoek Drie hoekdetectoren gebruikt voor reconstructie van shower oorsprong 10 m David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

34 Shower Direction: Definitions z θ shower front shower axis φ y x David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

35 13 m 195 m 195 m KASCADE neemt data sinds 1996 Zeer goed bestudeerd 252 stations in m 2 Triggers station (4 detectoren in 50 m 2 ) Levert waargenomen shower neemt data sinds mid-2008 David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

36 13 m 195 m 195 m KASCADE neemt data sinds 1996 Zeer goed bestudeerd 252 stations in m 2 Triggers station (4 detectoren in 50 m 2 ) Levert waargenomen shower neemt data sinds mid-2008 David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

37 13 m 195 m 195 m KASCADE neemt data sinds 1996 Zeer goed bestudeerd 252 stations in m 2 Triggers station (4 detectoren in 50 m 2 ) Levert waargenomen shower neemt data sinds mid-2008 David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

38 Invloed van Deeltjesdichtheid (Azimuth) 180 Ideale situatie hoek (graden) KASCADE hoek (graden) David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

39 Invloed van Deeltjesdichtheid (Azimuth) 180 Meer dan 1 deeltje per plaat hoek (graden) KASCADE hoek (graden) David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

40 Invloed van Deeltjesdichtheid (Azimuth) 180 Meer dan 2 deeltjes per plaat hoek (graden) KASCADE hoek (graden) David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

41 Invloed van Deeltjesdichtheid (Azimuth) 180 Meer dan 4 deeltjes per plaat hoek (graden) KASCADE hoek (graden) David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

42 Docenten Meer dan 20 docenten hebben de afgelopen vier jaar deelgenomen aan het programma FOM Leraren in Onderzoek. Eén dag in de week doen zij onderzoek binnen de groep. ʻLeraar in Onderzoekʼ Leraar in Onderzoek Leraar in Onderzoek Hoogenergetische Kosmische Straling Hoogenergetische Kosmische Straling Hoogenergetische Kosmische Straling 5 oktober oktober oktober 2011 David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

43 Conclusies Kosmische straling is een bijzonder fenomeen biedt leerlingen en docenten de kans om deel te nemen aan wetenschappelijk onderzoek naar kosmische straling We meten elektronen, muonen en fotonen Met één (ster-) station kun je al de oorsprong van een shower bepalen David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

44 Backup slides David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

45 Overview: Science Park Research Cluster 7 stations (4 detectors each) Separation distances typically few hundred meters David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

46 Trigger Condition CHAPTER 2. THE HISPARC EXPERIMENT 30 mv: 3 out of 4 required 70 mv: 2 out of 4 required Single scintillator: > 70 mv 100 Hz Station: trigger 1 Hz RIGGER LEVELS FOR A HISPARC STATION. The levels are at 30mV and 70mV. he right of both levels is the MIP peak. erence t with the next event is determined. Averaging over all time David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

47 Trigger Probability Upper line: single detector triggers on 50 % of showers Lower line: station triggers on 50 % of showers We hardly measure muons in showers Figure 2.1 LATERAL DISTRIBUTION FUNCTIONS (LDF). On the left, the LDF for electrons (e + e + ) is shown for primary energies ranging from ev to ev. On the right, the LDF for electrons is shown next to the LDF for muons (µ + µ + ) for a primary energy of ev. The muon distribution is much flatter, resulting in a crossover near 1000m. The two horizontal lines show the particle densities of 1.39m 2 and 2.46m 2,i.e. the50%detection probabilities for one and two detectors, respectively. It can be inferred that EAS with primary energies of ev cannot be detected. A two detector setup can only measure EAS of ev up to 20 m. EAS of ev, on the other hand, can be detected at distances up to 200m. David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

48 @KASCADE: Single Detector Efficiency Probability of one or more particles Data Poisson Charged particle density (m 2 ) Counts Charged particle part of spectrum Pulseheight [ADC counts] Charged particle density estimate from KASCADE David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

49 Reconstruction of Shower Direction NM IP ( ) ( ) 100 H ( ) 150 H NM IP ( ) K K 5.7 the Zenith angle reconstruction. A single station is able to reconstruct the Figure 5.6 Azimuthal angle reconstruction. A single station is able tofigure reconstruct zenithareangle. Only events with at least 1 MIP in all corner detectors are shown. µk is the zenith azimuthal angle of a shower. Only events with at least 1 MIP in all corner detectors shown. reconstructed by KASCADE, and µh is the reconstruction. For this plot, LINT K is the azimuthal angle reconstructed by KASCADE, and H is the angle reconstruction. For this plot, LINT timings were used to avoid artifacts from binning. timings were used to avoid artifacts from binning. For 2 MIP signals, θ = 22.5 : Azimuthal angle resolution: σφ = 30 Zenith angle resolution: σθ = 10 David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

50 GPS Timing Accuracy ACQUISITION 39 Calibration of two GPS modules Mean difference 18.5 ns, σ = 3 ns DISTRIBUTION OF GPS TIME DIFFERENCES. The histogram is fitted with a normal ith an offset of 18ns and a standard deviation of 3ns. tribution. DavidThe Fokkema distribution (Nikhef) has an offset of Kosmisch 18ns and Vuurwerk a standard deviation Symposium / 23

51 Science Park: Arrival Time Distribution CHAPTER 2. THE HISPARC EXPERIMENT Coincidences of stations 501 (Nikhef) and 502 (Anton Pannekoek) are shown t = t 502 t 501 Mean difference 18.5 ns, σ = 102 ns Mainly due to arrival time differences of slanted showers DISTRIBUTION OF TIME DIFFERENCES BETWEEN TWO STATIONS. t = t 502 istogram is fitted with a normal distribution with an offset of 15ns and a standard 102ns. David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

52 reedte van de verdeling en onderlinge afstand stations Science Park: Arrival Time Distributions fstand tussen stations in een cluster toeneemt, zal ook het tijdsverschil tussen de events bij dentie toenemen. Daarom is te verwachten dat de breedte van de verdeling van de tijdstoeneemt met de afstand tussen de stations. Als van alle tweevoudige coïncidenties het e van het tijdsverschil wordt uitgezet tegen de standaarddeviatie van de tijdsverschillen dan uur 3.9 inderdaad dit verband. Increased distance means increased arrival time differences 9: van de tijdsverschillen tussen twee stations tegen de afstand tussen de stations. In het onderste figuur is de afwijking tot de fit berekend. De grootte van deze afwij- David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

53 Science Park: Reconstruction of Shower Direction energie die de deeltjes in de detectorplaat afgeven. Deze pulsintegraal moet groter zijn dan 3000 mvns. De azimuthoeken die worden gereconstrueerd met het cluster moeten uiteraard hetzelfde zijn als de hoeken die worden berekend met de drie platen in station 501. Zoals in Figuur 3.11 is te zien, is van een enkele coïncidentie niet te voorspellen welke reconstructie juist is geweest, àls deze al correct verlopen is. Er is wel een duidelijk verband te zien in meerdere coïncidenties wat er op duidt dat een station en het cluster kunnen samenwerken bij het bepalen van de richting van een deeltjeslawine. Figuur 3.11: Drie buitenste platen van station 501 Figuur 3.12: Drie buitenste platen van station 501 geven elk een signaal met een pulsintegraal boven de 3000 mvns. integraal boven de 9000 mvns. geven elk een signaal met een puls- Indien de keuze voor de coïncidenties verder wordt beperkt door alleen nog sterkere signalen te gebruiken met een pulsintegraal van boven de 9000 mvns, dan wordt het verband nog beter zichtbaar, zie Figuur Verwisseling van platen in station 502 Na de eerste hoekanalyse bleek de gereconstrueerde azimuthoek van station 502 afwijkingen te vertonen ten opzichte van de azimuthoek van andere stations en van het stationscluster. Er ontstond een negatief verband tussen de azimut van station 502 en van andere stations of cluster. Indien detectorplaat 3 en detectorplaat 4 van station 502 in de scripts werden omgedraaid ontstond wel hetzelfde patroon als bij de andere stations. Later bleek dat de kabels van plaat 3 en van plaat 4 verwisseld waren, ondanks de labelling aan beide kanten van de kabels Vorm van de grafiek For 2 MIP signals, θ = 22.5 : Azimuthal and zenith resolution similar to resolution of single station Using multiple GPS modules introduces timing uncertainties Systematic uncertainties actually larger if using multiple stations, but explained by cluster geometry Outlook: combine with information from single stations In de grafieken is het volgende waarneembaar: David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

54 Shower Core Reconstruction: Simulations Core reconstruction limited by low detection area (Poisson statistics) However, excellent resolution: σ x σ y 17 m David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

55 Shower Size Reconstruction: Simulation density [m2] count density [m2] density [m2] 10 4 shower id = 527 shower 10 4 shower id = 11 shower NKG 1e6.0 NKG 1e fit 1e fit 1e distance [m] distance [m] shower id = 99 shower NKG 1e6.0 fit 1e6.07 Simulation of Science Park cluster Shower size estimate accurate within a factor log shower size distance [m] David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23

56 Shower Size Reconstruction: Simulation count mean = std = 0.14 underflow = 0 overflow = 807 N = log showersize Ne Simulation of Science Park cluster Shower size estimate accurate within a factor 3 David Fokkema (Nikhef) Kosmisch Vuurwerk Symposium / 23