III Escuela Astropartículas en LAGO (AP en una...

III EscuelaIII Escuela

Astropartículas en LAGOAstropartículas en LAGO(AP en una cáscara de nuez)(AP en una cáscara de nuez)Quito, Ecuador, Enero 2014Quito, Ecuador, Enero 2014

IV: AP en el detectorIV: AP en el detectorHernán AsoreyHernán Asorey

[email protected]@uis.edu.coEscuela de Física, Universidad Industrial de SantanderEscuela de Física, Universidad Industrial de Santander

Bucaramanga, ColombiaBucaramanga, ColombiaLaboratorio de Detección de Partículas y RadiaciónLaboratorio de Detección de Partículas y Radiación

Centro Atómico Bariloche & Instituto Balseiro (CNEA)Centro Atómico Bariloche & Instituto Balseiro (CNEA)Bariloche, ArgentinaBariloche, Argentina

mailto:[email protected]

20-24 Ene 2014 Astropartículas 2014 - Quito - H. Asorey 2/83

En el episodio anterior

AstrofísicaRelativista

Propagaciónintergaláctica

TransporteHeliosférico

FísicaAtmosférica

Física dedetectores

Física de Partículas

Análisis de datos complejos


Técnicas de detección en Superficie

Modo “Lluvia” Modo “Conteo”

● Detectores de partículas (WCD y/o centelladores)

● Detección de señales por encima de umbrales

● Intensivo análisis de datos

Búsqueda de correlaciones espacio-temporales entre las

señales entre detectores

Cálculo del flujo de secundarios y estudio de las

variaciones intrínsecas

Vernetto, Astropart. Phys 13(1), 75 (2000)


LAGO● 8 países

● 80 científicos y estudiantes

● Detección en tierra componente de alta energía de GRBs

● Flujo de secundarios como marcador de la Actividad Solar

● Tanques comerciales de 2 a 10 m3 de capacidad

● Recubrimiento interior

● Fototubos para detectar la radiación Cherenkov


Los sitios LAGO


El espectro, otra vez...

Lettesier-Selvon & Stanev, Rev. Mod. Phys 83 (2), 907 (2011)


Quién, donde, cuando

Some CR Observatories, energy limits are approximated

Auger&TA

Auger Infill

Kascade &Kascade Grande

Low EnergyRegion(e.g., LAGO-GRB)

Gamma Astronomy

HAWC

Satellites &BallonsSatellites &Balloons


Preguntas sin respuesta


Auger&TA

Auger Infill


Gamma Astronomy

HAWC

Satellites &Ballons


El proyecto PAS El proyecto PAS Polo de Astronomía SocialPolo de Astronomía Social

Un Observatorio de Astropartículas en el Oriente Colombiano


CR Spectrum features: origin, propagation and composition


Auger&TA

Auger Infill


Gamma Astronomy

HAWC


Only limited by statistics

PAS Array


CR Spectrum features: origin, propagation and composition


Auger&TA

Auger Infill


Gamma Astronomy

HAWC




PAS ArrayBoth Modes

Integrated flux (and flux

modulations)


Detectores Cherenkov en Agua (WCD)

Knoll, Radiation Detection and Measurement


Fototubo, alias “PMT”


Hamamatsu R5912


Efecto Cherenkov simplificado

cos θ=c /n dtβc dt

cosθ=1βn

● Medio material con índice de refracción n = cte

● Partícula cargada con velocidad β c > (c/n)

n(ω)≡√μ(ω)ε(ω)≃√ε(ω)≈n

c/n

dt

β c dtθ

Jackson, Classical Electrodynamics


Barrera del sonido


Efecto Cherenkov, el regreso● En un medio material ligeramente absorvente, con

permitividad ε(ω) y número atómico <Z>, una partícula con velocidad β=v/c produce:

● Reagrupando e integrando, obtenemos el número N de fotones Cherenkov producidos cuando la partícula avanza l en el intervalo λ1 y λ2

(dEd l )=( Zec )

2

∫β2ε (ω )>1ω(1−

1

β2ε (ω) )d ω

Δ NΔ l

=2 πα EM (1−1

β2n2 )( 1λ 2

−1λ1 )

Ecuación de Frank-Tamm

<Jackson, Electrodynamics, 3rd Ed

n(ω)≃√ε(ω)≈n


Índice de refracción agua

n=1.333

Condición Cherenkov

Absorción del agua

EmisiónCherenkoven Agua


Producción de Cherenkov en Agua


Amino-G3-amino-2,7-naftalendisulfónato-ácido de sodio


Efecto del Amino-G


dE/dX Electrones en Agua


dE/dX Muones en agua


Poder de frenado


Rango de electrones en agua


Producción de Cherenkov en agua


Producción Cherenkov


Flujo de muonesTelescópio de muonesI (μ)(θ)= I μ ,0 cosn(E μ)(θ)

⟨n(Eμ)⟩=(1.97±0.02)≃2

→ I (μ)(θ)≃ I μ ,0 cos2(θ)

Arreglo: Proyección y flujoI (μ)(θ)≃ Iμ ,0 cos2(θ)cos(θ)sin(θ)

I (μ)(θ)≃ I μ ,0 cos3(θ)sin (θ)

Detector volumétrico: flujodΩ=sin (θ)d θd ϕ

I (μ)(θ)≃ I μ ,0 cos2(θ)sin (θ)


Para los muones: sólo importa la longitud recorrida en el detector


¿Qué pasa con los fotones?Particulas sin carga → No

hay Cherenkov

Pero hay dos efectos adicionales:

1) Producción de pares: un fotón puede producir un par que produzca señal

2) Compton: por scattering compton un electrón puede ser promovido


Detector Cherenkov d=3.6m, d=1.2 m


Señales en el detector WCD


Adquisición de datos● Señales analógicas (pulsos) en el PMT

● Amplificación de la señal

● Hasta tres canales independientes

● Digitalización FADC 10 bits a 40 MHz (25 ns)


Estructura típica de un pulso

50 50 5061 49 54139 49 60291 51 45459 50 23660 50 15153 50 8753 50 6150 50 5751 51 5750 50 5251 49 5151 50 5050 49 5151 50 5250 50 51# t 4 30008562# c 663486982

50 50 5061 49 54139 49 60291 51 45459 50 23660 50 15153 50 8753 50 6150 50 5751 51 5750 50 5251 49 5151 50 5050 49 5151 50 5250 50 51# t 4 30008562# c 663486982

● Datos:● Tres canales de señales

digitalizadas

● Metadatos● Id del Detector

● Telemetría del detector

● Datos atmosféricos, PyT

● Datos monitoreo GPS

● Una hora por archivo

Tag temporal y número de pulso


Definiciones● Pulso canal j

● Pico

● Área ← Energía depositada

● Área sobre Pico:

● Δt (independiente de j)

50 50 5061 49 54139 49 60291 51 45459 50 23660 50 15153 50 8753 50 6150 50 5751 51 5750 50 5251 49 5151 50 5050 49 5151 50 5250 50 51# t 4 30008562# c 663486982

50 50 5061 49 54139 49 60291 51 45459 50 23660 50 15153 50 8753 50 6150 50 5751 51 5750 50 5251 49 5151 50 5050 49 5151 50 5250 50 51# t 4 30008562# c 663486982

50 50 5049 51 5162 50 10653 50 11751 51 6250 50 5550 50 5153 51 5151 50 5149 49 5251 50 5151 49 5151 50 5250 49 5050 51 5052 50 51# t 4 30008646# c 663486983

50 50 5049 51 5162 50 10653 50 11751 51 6250 50 5550 50 5153 51 5151 50 5149 49 5251 50 5151 49 5151 50 5250 49 5050 51 5052 50 51# t 4 30008646# c 663486983

A j=( ∫0

400 ns

[V j(t )−50]dt )>0

P j=máx [V j(t)−50 ]

V j (t )

Δ t i=( tagi−tag i−1)×25 ns

A3=141ACDq

P3=67 ADC p

(A /P)3=2.1Δ t83=2100 ns

A3=1316 ACDq

P3=552 ACD p

(A /P)3=2.4

(A/P ) j=A j /P j


¿Cómo sería el histograma de Aj?


Histograma de áreas● Área A de cada pulso → histograma de áreas

Muones

MCV

EM

Partículas simultáneas

A3=1316 ACDq

A3=151 ACDq


Histograma simuladoFlujo de primarios → (CORSIKA + Sitio) → Flujo de SecundariosFlujo de secundarios → (G4+Detector) → Señales en el detector


Impacto de la calidad del agua


Histograma de áreas● Integral del histograma → Flujo de partículas

j0=∫H (A)dA

S t=398.5 pulsos m−2 s−1


Distribución temporal de señales Poisson: sucesos independietes que ocurren a una

tasa constante ← Flujo total de secundarios

Distribución para el tiempo entre dos pulsos (Δt)● No tener pulsos en tiempo Δt, recibir el 1er pulso en

Δt+dt

Propiedad: “falta de memoria” (memorylessness)P (t> (l+m )∣t>l )=P (t>m )

DistribuciónExponencial

P ( x , t )=(λ t)x e−λ t

x !

P (Δ t )∝e−λΔ t


Vida Media del MuónVida Media del MuónHernán AsoreyHernán Asorey

[email protected]@uis.edu.co

Grupo Halley de Astronomía y Ciencias Aeroespaciales y Grupo de Grupo Halley de Astronomía y Ciencias Aeroespaciales y Grupo de Investigaciones en Relatividad y Gravitación (GIRG)Investigaciones en Relatividad y Gravitación (GIRG)

Escuela de Física, Universidad Industrial de SantanderEscuela de Física, Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, ColombiaBucaramanga, Colombia

mailto:[email protected]


Objetivos● Introducir conceptos básicos en

● Física de Partículas (inc. física nuclear y física relativista)

● Física de detectores de radiación

● Técnicas de análisis de datos complejos e inferencia estadísitca

● Experiencia de Laboratorio destinada a estudiantes de pre y posgrado

● Complejidad y profundidad adabtables al curso, desde ~10 hasta ~60 horas de clase


Decaimiento del muón Proceso electrodébil La vida del muón está “protegida” por la elevada masa

de los mediadores W

τμ= (2197.03±0.04 ) ns


Decaimiento del muón Probabilidad baja de observar el decaimiento de un

muón de alta energía

Sin embargo, si Eµ < ~500 MeV

→ Se detiene en el interior del detector

Pulso del muón → (Decaimiento) → Pulso del electrón


Un decaimiento en los datos● Dos pulsos consecutivos: ingreso del muón,

aparición del electrón

50 50 5061 49 54139 49 60291 51 45459 50 23660 50 15153 50 8753 50 6150 50 5751 51 5750 50 5251 49 5151 50 5050 49 5151 50 5250 50 51# t 4 30008562# c 663486982

50 50 5061 49 54139 49 60291 51 45459 50 23660 50 15153 50 8753 50 6150 50 5751 51 5750 50 5251 49 5151 50 5050 49 5151 50 5250 50 51# t 4 30008562# c 663486982

50 50 5049 51 5162 50 10653 50 11751 51 6250 50 5550 50 5153 51 5151 50 5149 49 5251 50 5151 49 5151 50 5250 49 5050 51 5052 50 51# t 4 30008646# c 663486983

50 50 5049 51 5162 50 10653 50 11751 51 6250 50 5550 50 5153 51 5151 50 5149 49 5251 50 5151 49 5151 50 5250 49 5050 51 5052 50 51# t 4 30008646# c 663486983

μ-→νμ ν̄ee

-

Δ t=84×25 ns=2100 nsΔ p=1

μ eμ

e


Histograma de Δt● Calculamos el Δt entre pulsos sucesivos

● La distribución de Δt es un muestreo de las distribuciones de los procesos en el interior: ● Flujo de secundarios

● Decaimento de los muones en el interior del detector

● Tiempos característicos muy diferentes

(λ fondo )−1≡τ fondo≃2.5ms=2.5×103μ s

(λμ )−1≡τμ≃2.2μ s


Suma de exponenciales


Nos concentramos en Δt ~ τμ


Teórica vs Experimental


¿Qué significan esos picos?● Un pico en el histograma de tiempos significa que

hay sucesos que ocurren a un “rate” constante● Pensemos en un reloj: tengo un pulso cada segundo

● Aquí tenemos una distribución en torno a un valor● ¿Relojes? ← Fuentes conmutadas

● ¿Propagación? ← “Afterpulses”:● Un fotoelectrón ioniza al Helio● El ión He+ migra hacia el fotocátodo● El ión produce un nuevo fotoelectrón● El fotoelectrón es un pulso nuevo● ¡¡¡El tiempo entre pulsos depende de la geometría del PMT!!!


El experimento contraataca


Área/pico vs dt

Δt (ns)

(A/P

)

Δt (

n s)

Población de pulsos pequeños y cortos


Solución: Quitar si (A/P)<1


Diferencia de tiempo entre pulsos

Ajuste → τ = (1990 +/- 10) ns

f(t) = a e-(∆t/τ) + b


Muón en el agua Muón en agua

µ+ → Libre

µ- → Prob. de captura nuclear (similar a la c.e.): α Z4 del medio Alta absorción en 35Cl y 36Cl (lejía, lavandina, NaClO)

Procesos que compiten para el µ- : Decaimiento Captura

λobs = (N+ λ+ + N- λ-)/(N++N-)

Se puede medir la relación N+/N-

Sólo decaen los que no son absorbidosτµ− < τ0

Tiempo Decaimiento muon negativoAjuste → τµ− = (1.86 +/- 0.02) µs


Vida Media del muón en su Universidad

Vida media en agua (transparencia) y efecto de impurezas

Relación N+/N- como función de la altura

Mediciones relativistas

Espectro de Michel del electrón resultante

Medición indirecta de la existencia del neutrino (energía faltante)

Constante de acoplamiento electrodébil (τµ α gF)

Caracterización de los “afterpulses” de los PMT

Distribución de señales en el fondo y su variación → Solar

Medir otras partículas con fuentes (Fuente de neutrones Am-Be)

Técnicas de análisis de datos complejos


Simulación alturas


e+ e- → γγ


Joroba del muón

Misma señaldistinto fondo


Chacaltaya, Bolivia, 5300 msnm


Berlín, Colombia, 3450 msnm


Bariloche, Argentina, 850 msnm


MAGCOS (para descargar)

http://cosray.unibe.ch/~laurent/magnetocosmics/

MAGCOS (para descargar)

http://cosray.unibe.ch/~laurent/magnetocosmics/


Flujo de secundarios en el detector

Abreu et al, JINST 2011(1), P10011 (2011)


Flujo vs presión


Anticorrelación Flujo vs Patm


Flujo de secundarios en el detector

Abreu et al, JINST 2011(1), P10011 (2011)


Flujo (Integral) por bandas

Muones

MCV

EM

Partículas simultáneas

A3=1316 ACDq

A3=151 ACDq


“Tomografía” del Forbush


Les pedimos un favor● ¿nos contestan 4 preguntitas sobre la escuela?

http://bit.ly/1jtprVO● ¿Los contenidos del curso han cubierto sus expectativas?

● Describa su sensación respecto a la duración de cada sesión: 1 significa muy corto, 3 significa que es apropiado, y 5 significa muy largo

● ¿Qué contenidos no desarrollados le agregaría al curso?

● Escriba comentarios y sugerencias generales sobre el curso

http://bit.ly/1jtprVO

process.ccprocess.ccUn código para análisis de datos Un código para análisis de datos

H. Asorey y X. Bertou (Bariloche)H. Asorey y X. Bertou (Bariloche)

Electrónica LAGO@Bariloche● Electrónica LAGO@Bar (ver charla H. Arnaldi)

● Digitalización en 3 canales a 40 MHz mediante FADC de 10 bits● Voltaje: 0V-2V (1V) → 0 ADC-1023 ADC

● Bin temporal: 25 ns

● Corrección electrónica de las fluctuaciones de la línea de base en tiempos de 2 ms → Vlb = 50 ADC

● Unidad GPS para sincronización temporal

● Sensor I2C de Presión y Temperatura

Nueva adquisición: lago.cpp● Lectura de datos de la placa Nexys vía USB 2.0

usando librerías open source (Mc Elan)

● Tasa máxima de transferencia● 30 kHz de pulsos por canal

● 80 kHz de scalers por canal

● Nueva longitud de pulso:

● DATAVERSION 3 → 16 bines (400 ns)● DATAVERSION 4 → 12 bines (300 ns)

Header del archivo de pulsos# v 3# # This is a LAGO raw data file, version 3# # It contains the following data:# # <N1> <N2> <N3> : line with values of the 3 ADC for a triggered pulse# # it is a subtrigger with the pulse maximum bin if only one such line is found# # it is a trigger with the full pulse if 16 lines are found# # # t <C> <V> : end of a trigger# # gives the channel trigger (<C>:3 bit mask) and 40MHZ clock count (<V>) of the trigger time# # # c <C> : internal trigger counter# # # x f <V> : 40 MHz frequency# # # x r C1-DD <V> : raw temperature and pressure sensor value# # # x r D1 <V> : raw temperature/pressure value# # # x r D2 <V> : raw temperature/pressure value# # # x h <HH:MM:SS> <DD/MM/YYYY> <S> : GPS time (every new second, last number is seconds since EPOCH)# # # x s <T> C <P> hPa <A> m : temperature <T>, pressure <P> and altitude (from pressure) <A># # # x g <LAT> <LON> <ALT> : GPS data - latitude, longitude, altitude# # # x b <B1> <B2> <B3> : baselines (NOT IMPLEMENTED IN LAGO)# # In case of error, an unfinished line will be finished by # E @@@# # Followed by a line with # E <N> and the error message in human readable format, where <N> is the error code:# # # E 1 : read timeout of 2 seconds# # # E 2 : too many buffer reading tries# # # E 3 : unknown word from FPGA# ## # Current registers setting# x c T1 100# x c T2 100# x c T3 100# x c ST1 1000# x c ST2 1000# x c ST3 1000# x c HV1 0# x c HV2 3800# x c HV3 2100# x c GPSTM UTC# # This file was started on DPR_Lab# # Machine local time was Fri Jun 22 20:00:01 2012# # WARNING, there is no GPS, using PC time# x h 23:00:00 22/06/2012 1340406000ﾺ52 47 5051 47 5253 101 7954 70 59

Empieza el primer pulso

Estructura del archivo de pulsos

● Formato ASCII + bz2

● Estructura jerarquica

● 1 hora de datos por archivo

● “#” → Comentarios, tiempos, monitoreo, errores, Presión y Temperatura, GPS

● Pulsos → 3 columnas x 16 (ó 12) filas

name_(no)gps_YYYY_MM_DD_HHhMM.dat.bz2

Procesamiento y análisis: process.cc

/************************************************************************//* *//* process.cc -- Lago analysis main program *//* *//************************************************************************//* Authors: Hernán Asorey, Xavier Bertou *//* e-mail: [email protected] *//* *//************************************************************************//* Module Description: *//* To process datafile from Nexys2 board *//* *//************************************************************************//* Copyright 2011 - Lab DPR (CAB-CNEA). All rights reserved.

[..]

#define CODEVER 4 // DATAVERSION

Orientado a la física de LAGO

asoreyh@averno:[/work/asoreyh/lago/lago-daq]$ ./process.exe

Missing filename

Usage: ./process.exe [-c/s/t/r/a/m] raw_file flags: -f: force analysis -c: produces .cal calibration file -s: produces .sol solar physics file -t: produces .tim time difference histogram file (Not yet Implemented) -r: produces .raw 10 second raw file copy (Not yet Implemented) -a: produces .all complete pulse data file (Not yet Implemented) -m: produces .mon monitoring file (Not yet Implemented) -l: produces .scl scaler data file (old lago analysis) Modifiers: -l <l1> <l2> <l3> <us> : Define four thresholds for lago-like analysis

Nueva versión disponible en Bitbucket/lagohg clone https://[email protected]/lago/lago-daq

Nueva versión disponible en Bitbucket/lagohg clone https://[email protected]/lago/lago-daq

Lee y procesa archivos ASCII, bz2 o STDINLee y procesa archivos ASCII, bz2 o STDIN

-f: Procesa archivos DATAVER<4

-f: Procesa archivos DATAVER<4

*.cal → Histogramas de Calibración

24 histogramas de una hora para el 22/Jun/201224 histogramas de una hora para el 22/Jun/2012

# # # p 1 cal# # This is a file containing the charge and peak calibration histograms# # Format is ch1 ch2 ch3 pk1 pk2 pk30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

*.sol → Física Solar

# # # p 1 sol# # This is a Solar data file.# # These are one minute charge and peak histograms, with monitoring information# # Format is # q/p second frequency temperature pressure# # (q for charge and p for peak)# # followed by 0/1 0/1/2 second frequency temperature pressure and 1024 or 4096 values# # where 0/1 stands for charge (0) or peak (1) and 0/1/2 is the channel# q 1340388060 39999999 23.3 890.940 0 1340388060 39999999 23.3 890.94 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 1 1 1 2 1 2 1 1 0 3 1 4 1 4 1 4 2 3 3 6 3 9 6 7 3 9 6 5 6 10 4 12 11 8 6 10 7 6 8 6 8 8 9 16 16 11 13 12 20 12 11 13 17 13 15 19 13 15 16 13 20 15 18 19 11 19 20 18 23 18 19 11 14 14 18 27 15 20 22 ...

Histogramas de carga y pico de un minuto

P y T (x minuto)

Hist. deCarga≡H (t , q)

*.sol → Flujo versus Presión (ejemplo)

Marcada anticorrelación con la presión atmosférica

Scalers : S (t )=1Δ t∫H (t ,q)dq

Δ t=60 s

Otros archivos● *.tim: Histograma de diferencia de tiempos entre

pulsos sucesivos● Decaimiento del muón

● Autocorrelación temporal

● *.raw: 10 segundos de “raw data”

● *.all: Area vs pico de todos los pulsos● Estadísitca de partículas

● *.scl: Scalers “lago”, con tres umbrales y un “undershoot” ● Análisis de Gamma Ray Bursts

III Escuela Astropartículas en LAGO (AP en una...

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