Jag Trasgo Ucm090522

Proyecto

Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. U.Complutense de Madrid. 22.5.2009
1

GCR: Galactic Cosmic Rays

[http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Structure_of_the_magnetosphere_mod.svg]

Los Rayos Cósmicos en la atmósfera
1000
gr/cm2

500

200

100

20

10
5 10 30 km
Relación altitud-espesor másico

Rayos Cósmicos Primarios: Espectro y composición

[PDG]

K

Knee


Rayos Cósmicos Primarios: Espectro en energía

1 Partícula/m2-año

1 Partícula/km2-año

1 Partícula/km2-siglo
Knee


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]

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 solar
Inuvik Neutron Monitor

[neutronm.bartol.udel.edu//listen/main.html#detect]
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. intensidad de neutronesde Madrid.el22.5.2009
Actividad solar e U.Complutense detectados en 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 primarios
Por 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

γ P Fe

[HRebel]

Caracterización:
Energía → Posición de Nmax (D. Fluorescencia)
→ Densidad de partículas Cascadas atmosférias generadas por
un fotón, un protón y un núcleo de Fe


Caracterización y medida de cascadas
Se producen grandes fluctuaciones entre cascada y cascada

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


Ejemplo: Diversas estimaciones de masa por distintos experimentos
<Masa>

[CCOU02]

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.


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 medida
de 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

900mm

Características aproximadas:

- Timing RPC de 2 gaps de 0.30mm con
mezcla 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


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 Hacia un nuevo concepto en el
ttimtrack
tim rack
rastreo 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 los
electrodos


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 mejorar
Mediante 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

Fe o
Pb

Buena reconstrucción
Buena reconstrucción solo en los primeros planos


MIDAS: Multi sampling Identification of pArticleS
Posible separación de masas a través del análisisde velocidades
y residuos

Muones Electrones
(M. Scattering
An. Residuos)


MIDAS
Separación 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 Ip
0,1 99 6 2
0,2 97 3 1,5
distinguir entre muones
0,5 86 1 0,9 y electrones siendo su
1 69 0,38 0,51 rango de energ as muy
2 45 0,12 0,25 distinto
5 20 0,02 0,08
10 8,6 - 0,03


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 grandes
residuos y gran multiple scattering)
• Se determina la velocidad “aparente” en la direccion del
movimiento A. Garzón. Proyecto Trasgo. U.Complutense de Madrid. 22.5.2009
Juan

20 trazas generadas (e-, a 0.5GeV)
5 absorbentes de Pb, 1cm
Ajustes 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-Chi2
Protones de 0.5GeV
5 absorbentes de Pb de 1cm


Relación Velocidad-Chi2
Muones de 10 GeV
5 absorbentes de Fe de 1cm


MIDAS :Resultados preliminares
Abs Pb Abs Pb Abs Fe Abs Fe
Energy Particle (10mm) (5mm) Energy Particle (10mm) (5mm)
ResX ResY ResX ResY ResX ResY ResX ResY
10G eV mu 0,3 0, 0,
3 22 0, 22 10GeV mu 0,
2 0, 0,
2 12 0, 12
5G eV mu 0,7 0, 0,
6 44 0, 43 5GeV mu 0,
3 0, 0,
4 24 0, 23
2G eV mu 1,6 1, 1,
6 15 1, 06 2GeV mu 0,
9 0, 0,
9 62 0,6
1G eV mu 3,5 3, 2,
5 27 2, 31 1GeV mu 1,
8 1, 1,
7 21 1, 18
500M eV mu 7,
0 6, 4,
9 49 4, 86 500M eV mu 3,
9 4, 2,
0 54 2, 65
e 7,0 7, 4,
0 65 4, 87 e 3,
8 3, 2,
5 49 2,5
p 2,6 2, 1,
6 82 1,8 p 1,
4 1, 0,
4 98 0, 97
200M eV mu - - 21,92 22,16 200M eV mu - - 10,25 10,01
e 25, 28, 12,
0 6 86 13,24 e 10, 10, 6,
4 4 55 6, 41
p 0,8 0, 0,
8 54 0, 51 p 0,
4 0, 0,
4 29 0, 28
100M eV mu - - - - 100M eV mu - - - -
e - - - - e - - 15,
31 14, 93
p 0,4 0, 0,
4 27 0, 26 p 0,
2 0, 0,
2 14 0, 14


Trasgo: Modelo precursor
El muro de RPCs de HADES

RPC double
layer

~200
cells
Acceptance
close to 100%


RPC de HADES, con 4 TRBs

Prototipo operativo

432 canales

Sistema de lectura
TRB (Tdc Readout Bord)
128ch/TRB
4x128 = 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 de
la comunicación con el exterior.

El procesador puede albergar los programas
de reconstrucción de trazas


52

Eficiencia de reconstrucción en un Trasgo para diferentes
número de planos, anchura de los electrodos y eficiencias
de celda
Intensidad incidente de R.
Efic(RP NumPla NPlan ∆(electr Num Cósmicos:
C) nos (Track) odo) TRB/ch 100/m2/5µs 200/m /5µs
2 500/m /5µs
2
1000/m2/5µs
1 4 3 5cm 1/128 0.99 0.98 0.89 0.70
1 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 0.57
0.9 4 3 2.5cm 2/256 0.93 0.92 0.86 0.77
1 8 5 5cm 2/256 0.99 0.98 0.91 0.72
1 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 0.71
0.9 8 5 2.5cm 4/512 0.99 0.99 0.97 0.91
1 8 3 5cm 2/256 1 1 1 0.99
1 8 3 2.5cm 4/512 1 1 1 1
0.9 8 3 5cm 2/128 1 1 1 0.98
0.9 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. UDC
S. 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


Flujo de Rayos Cósmicos al nivel del mar
Densidad/m2 Energía(eV) Frec/m2.dia Radio(m) Superfiice (m2) NClusters/día/m2
1015 0.03 30 3 103 100
1016 3 10-4 150 7 104 20
>5 1017 3 10-6 330 3.5 105 1 Total:
~120
1018 3 10-8 650 1.3 106 0.04

1015 3 10-2 20 103 30
1016 3 10-4 100 3 104 9
> 10 1017 3 10-6 280 2.5 105 0.75 Total:
~40
1018 3 10-8 550 106 0.024

1015 3 10-2 10 3 102 10
1016 3 10-4 80 2 104 6
> 17 1017 3 10-6 250 2 105 0.6 Total:
~16
1018 3 10-8 480 7 105 0.021

1016 3 10-4 60 104 3
1017 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 2.4
1017 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 1
1017 3 10-6 110 4 104 0.12
> 100 Total:
~1
1018 3 10
Juan A. Garzón. Proyecto 280
Trasgo. U.Complutense de0.01
2.5 10
-8 5
Madrid. 22.5.2009

Meiga Npart>4/m2

E=1015eV
Frec:
0.03/m2.dia
300/ha.dia

Npart>4/m2 Npart>120/m2

Npart>90/m2 50m
E=1016eV Npart>200/m2
Frec:
0.0003m2.dia
3/ha.dia
Npart>400/m2

E=1017eV
Frec: 0.000003/m2.dia
Juan A. Garzón. Proyecto Trasgo. U.Complutense de Madrid. 0.03/ha.dia
22.5.2009
10/ha.año

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

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
J.A. Garzón (Prof.)
P. Cabanelas. HADES: Software & Analysis
D. Belver. HADES: FEE
M. F.Morales: Ceramics RPCs
G. Kornakov: HADES

M. Zapata.
Technitian
(50%)
Other
members
Dr. Jose
Lámas-
66
Valverde

Los rayos cósmicos y el clima

Helada en Londres en 1684

70

UHENP: Ultra High Energy Atmospheric
Nuclear Physics

71

UHENP: Ultra High Energy Atmospheric
Nuclear Physics

Muchos modelos con necesidad de ingredientes....
72

Be ?
p B

? Fe
ν
He

e BigBang

Ca
U
+
e
−
p Li 73

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
-

75
Distribución lateral para P y Fe

ARGO-YBJ
Un experimento con RPCs:

Distribución lateral para P
de distintas energías

76

KASCADE-Grande
= KArlsruhe Shower Core and Array DEtector + Grande
and LOPES
Measurements of air showers in the energy range E0 = 100 TeV - 1 EeV

77

The experimental set-up
Detector Detected EAS Sensitive area
component (m2)
Grande Charged particles 37x10
Piccolo Charged particles 8x10
KASCADE array Electrons, © 490
e/©

KASCADE array ⎧ Muons 622
(E⎧th=230 MeV)
MTD Muons (Tracking) 3x128
(E⎧th=800 MeV)
MWPCs/LSTs Muons 3x129
(E⎧th=2.4 GeV)
LOPES 30 Radio

Trigger Plane Muons 208
(E⎧th=490 MeV)
Calorimeter Hadrons 9x304

The strength of KASCADE-Grande is the multi observables information
78

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

79

EL TRASGO

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 < 50ps
Resolución 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:
80

EL TRASGO


- Robustos
- Baratos
-1 Trasgo ofrece:

-Capacidad de muchos trasgos:
81

EL TRASGO


- Robustos
- Baratos
-1 Trasgo ofrece:

-Capacidad de muchos trasgos: Enorme! 82

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