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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