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Massimo Brescia » 20.Telescopi per raggi cosmici - parte prima

Fenomeni ad alta energia

La radiazione cosmica ha uno spettro che si estende fino ad energie di 10²²eV.
Le particelle che costituiscono i raggi cosmici sono di due tipi:

Componente neutra

Raggi γ
Neutrini

Componente carica

Protoni
Nuclei α
Elettroni e positroni
Nuclei pesanti

Fotoni γ → fortemente assorbiti – brevi distanze
Protoni di bassa energia → deviati dai campi magnetici (non direzionali)
Protoni di alta energia → direzionali ma interagenti con i fotoni della radiazione di fondo

Fenomeni ad alta energia

Sorgenti di radiazione cosmica

Principio di rivelazione dei neutrini

La radiazione Cherenkov è emessa ogni volta che una particella carica attraversa un mezzo con una velocità v maggiore di quella della luce.

Rivelazione dei neutrinidi altissima energia.
↓
MUONI: i muoni in acqua emettono radiazione Cherenkov.

Piccola sezione d’urto dei neutrini.
Necessità di rivelatori a grande massa per aumentare la probabilità di interazione
↓
Si usa come bersaglio l’intero pianeta

Principio di rivelazione dei neutrini.

Radiazione Cherenkov

Ad esempio, ad una profondità di ~3000m in acqua marina la velocità dei fotoni è circa 0.75c, poiché l’indice di rifrazione n alla profondità considerata varia tra 1.36 a 1.345.

$v=0.75c=22.5cm/ns$

Lo spettro della radiazione è esteso solo alle regioni del visibile e del vicino ultravioletto, per le quali n>1.

Indice di rifrazione dell'acqua marina

Tecnica di rivelazione dei neutrini

Mappa dei telescopi per neutrini

Noise in sea water – bioluminescence & 40K decay

Confronto tra telescopi in ghiaccio e acqua

La torre di NEMO fase 1

La torre reale di NEMO fase 1

Sistema di trasmissione dati

Sincronizzazione ottica tra due piani di torre

Lo stesso impulso generato dalla TimeBoard viene inviato verso i moduli ottici con tempi fissati
Configurazione identica per tutti i piani
Possibilità di estensione a qualunque geometria e configurazione della torre.

Specifiche ottiche del PMT

Glass pressure vessel ≤ 17 inch
Requirements for ν telescopes:
- High quantum efficiency
- Large photocathode areas
- Wide angular coverage
- Good single-photon resolution
- High dynamic range

Fonte: Hamamatsu Photonics

Interfacce ottiche

In mancanza di soluzioni commerciali è stato necessario ingegnerizzare entrambe le interfacce;
Un lunga e accurata fase di indagine e numerosi tentativi per facilitare la fase di integrazione e per non dilapidare la potenza ottica disponibile;
In entrambi i casi la resistenza alle vibrazioni e la conservazione della posizione è fondamentale

Interfacce ottiche

Data collecting

Ordinamento temporale – INIT

Ordinamento temporale – iterazione 1

Ordinamento temporale – iterazione 2

Ordinamento temporale – iterazione 3

Sorgenti di fondo ottico => basso S/N

Fondo di ⁴⁰K

Nel decadimento del ⁴⁰K (rate di 28.5 ± 2.5 KHz) viene emesso un singolo elettrone

⁴⁰K → ⁴⁰Ca + b- +n_e

Decadimento β-

Il decadimento β è uno dei processi per cui nuclei instabili (e dunque radioattivi) si trasformano in altri nuclei di atomi che possono a loro volta essere radioattivi oppure stabili. In natura i nuclei sono all’interno degli atomi e questo processo causa la trasformazione dell’intero atomo da un elemento chimico ad un altro.
Più precisamente, il decadimento beta avviene tramite la trasformazione di un neutrone in una coppia protone-elettrone più un antineutrino elettronico. Il protone resta nel nucleo atomico, mentre le altre due particelle vengono espulse (emesse)
Dato che i neutrini interagiscono debolmente con la materia, quando Marie Curie osservò per la prima volta questo tipo di decadimento lo associò alla sola emissione di un elettrone; fu Enrico Fermi che, seguendo un’idea di Wolfgang Pauli, introdusse l’idea del neutrino per risolvere un’apparente contraddizione fra i risultati sperimentali ed il principio di conservazione dell’energia.

La luce Cherenkov irraggiata dagli elettroni prodotti nel decadimento costituisce un fondo ottico “non correlato” temporalmente (come è, invece, la luce Cherenkov prodotta dai muoni).
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NON CORRELAZIONE come fattore discriminante tra segnale e rumore