Kosmisten säteiden EMMA-koe

Kosmisten säteiden EMMA-koe Experiment with MultiMuon Array Timo Enqvist Oulun yliopisto timo.enqvist@oulu.fi OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 1/20

Kosmisten säteiden energiaspektri suuret energiat OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 2/20

Kosmisten säteiden energiaspektri polvialue OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 2/20

Kosmisten säteiden energiaspektri polvi- ja nilkka-alueet OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 2/20

Kosmisten säteiden energiaspektri polvi- ja nilkka-alueet sekä GZK-raja OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 2/20

Kosmiset säteet polvialue Energiaspektri muuttuu noin 3 10 15 ev kohdalla (E 2.7 E 3.1 ) MIKSI? Muutoksen arvellaan liittyvän astrofysikaaliseen ilmiöön galaktisten lähteiden teho ei riitä suurilla energioilla suurienergisten hiukkasten pako galaksista Havaittiin 1958 (Kulikov & Khristiansen) Paljon kokeita käynnissä edelleen, muun muassa GRAPES (Intia), Tibet ja ARGU-YBJ (Kiina), KASCADE-Grande (Saksa), CARPET ja Tunka (Venäjä), IceTop/IceCube,... EMMA-koe kokonaan uusi tapa mitata kosmisia säteitä Keino: Koostumuksen mittaaminen (kevyiden ja raskaiden kosmisten säteiden suhde) ja sen mahdollinen muuttuminen polvialueella = kiihdytysmekanismi Koostumuksen mittaaminen: ilmakuuro OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 3/20

Kosmiset säteet ja ilmakuuro Suurilla energioilla ( 10 14 ev ) suorat mittaukset avaruudessa eivät mahdollisia, koska kosmisten säteiden vuo liian pieni Epäsuora menetelmä: ilmakuuro suuripinta-alaiset hiukkasilmaisimet maan pinnalla, mitataan elektroneita ja myoneja ilmakehän vuorovaikutuksia: fluoresenssivaloa, radioaaltoja Ilmakuuron hiukkasten lukumäärä ja niiden leviäminen maanpinnalla riippuvat kosmisen säteen massasta ja energiasta mitä raskaampi ja energeettisempi kosminen säde, sitä massiivisempi ja laajemmalle levinnyt ilmakuuro ilmakuurojen fluktuaatiot suuria 30 km OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 4/20

Kosmisten säteiden kokeet Pierre Auger -koe, Argentina GZK-alue OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 5/20

Kosmisten säteiden kokeet Pierre Auger -koe, Argentina ilmaisinyksikkö OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 4/20

Kosmisten säteiden kokeet KASCADE Grande, Karlsruhe polvi nilkka -alue KArlsruhe Shower Core and Array DEtector eē+ γ γ π 0 p n p π + π - Simultaneous measurement of electromagnetic, muonic, hadronic shower components µ - γ γ e + e - e - e + e + e - γ γ π 0 π - µ - e - π 0 p n p p π - π - n n π + µ + T. Antoni et al, Nucl. Instr. & Meth. A 513 (2004) 490 OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 5/20

Ilmaisingeometria 75 m 45 m OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 6/20

Ilmaisingeometria 75 m OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 6/20 45 m Yhteenlaskettu ilmaisinpinta-ala = 250 m 2 + 24 m 2 + 180 m 2 = 450 m 2

Myonien lateraalijakauma minimienergia 50 GeV (75 m kiveä) CORSIKA + QGSJET 01 CORSIKA + EPOS 1.99 OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 7/20

Myonien lateraalijakauma minimienergia 50 GeV (75 m kiveä) Energy CORSIKA + QGSJET 01 CORSIKA + EPOS 1.99 OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 7/20

Myonien lateraalijakauma minimienergia 50 GeV (75 m kiveä) Energy Composition CORSIKA + QGSJET 01 CORSIKA + EPOS 1.99 OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 7/20

Ilmaisimet (1) Drift chambers, ajautumiskammiot plankit Entisiä Cernin LEP-törmäyttimen DELPHI-kokeen myoni-ilmaisimia 7 yksittäistä kammiota per plankki paino noin 120 kg per plankki kammio: 365 cm 20 cm 3 signaalia per kammio Yhteensä 84 plankkia ( 250 m 2 ) muodostavat kokeen rungon Paikkaresoluutio hyvä: 1 cm 2 Ar (92%) : CO 2 (8%) at 1 bar min 0.25 bar l/min/4plankkia OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 8/20

Ilmaisimet (2) Muoviset tuikeilmaisimet SC16 detector 50 50 cm 2, H = 13 cm massa 20 kg per SC16 16 erillistä 12 cm 12 cm ja 3 cm paksua pikseliä APD valonkeruussa aikaresolutio hyvä: 1 ns Yhteensä 96 SC16-ilmaisinta (24 m 2 ), 1536 yksittäistä pikseliä Suunniteltu erityisesti suuriin multiplisiteetteihin nopeaan triggeriin tulokulman alkuarvaus Made by Russian Academy of Sciences OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 9/20

Ilmaisimet (3) LST-ilmaisimet (Limited Streamer Tube) Myoni-ilmaisimet KASCADE Grande-kokeesta (Karlsruhe) Käytetään 2. ilmaisinkerroksena reuna-alueilla ja 45-tasolla Saapuivat Pyhäsalmelle toukokuun lopussa, tehtävää lukuelektroniikka HV-lähteet 60 ilmaisinmoduulia ( 180 m 2 ) Ominaisuudet 2.9 m 1.0 m pikselikoko (PAD): 2 cm 8 cm kaasu CO2 at 1 bar OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 10/20

Kaasun syöttö 1 OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 11/20

Kaasun syöttö 2 OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 11/20

Kaasun syöttö 3 Ar (92%) from 600 l dewar (LAr) CO 2 (8%) from 30 kg bottle 94 m OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 11/20

EMMA Experiment with MultiMuon Array Maanalaiset ilmaisinasemat (F) Cavern conditions ph 3 (water) Rel.Humidity 100 % T 10 C OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyha salmi 12/20 Inside the stations Rel.Hum. 40 60 % T 15-20 C + Good conditions

Testimittaus (2011) Asema C Myonitracking Ratojen lukumäärä = 16 OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 13/20

Testimittaus (2011) Asema C 43 päivää, asema C PRELIMINARY Simulation with 100% proton composition and normalised to N tracks = 5 OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 14/20

CERN Muon bundles at DELPHI (LEP) OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 15/20

CERN Muon bundles at DELPHI (LEP) and ALICE (LHC) PRELIMINARY by Arturo Fernandez OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 15/20

Suunnitelmia 2012 2013 Mittauksen aloittaminen asemilla E ja G (2012) Uudet elektroniikkakortit ja mittauksen aloittaminen asemilla A, B ja D (2013) Aseman H rakentaminen (2013) SC16- ja LST-ilmaisimet maan alle (2013) Mittaus maan asemilla C ja F alkoi 12.07.2012 pyörii edelleen (HV pudonnut pari kertaa, dataa menetetty vain pari päivää), tarkoitus lisätä asemia yksitellen ja pitää mittaus käynnissä tauotta N vuotta (pieniä huoltotaukoja lukuunottamatta) täydelliseen analyysiin päästään vasta kun kaikki asemat mittaavat OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 16/20

SAB Scientific Advisory Board EMMA-kokeen tieteellinen neuvottelukunta Tiina Suomijärvi (Pariisi, pj) Anatoly Erlykin (Moskova) Andreas Haungs (Karlsruhe) Kokoukset: syyskuu 2009 (Pyhäsalmi), elokuu 2010 (ECRS2010, Turku) ja toukokuu 2011 (Pyhäsalmi) SAB ollut tyytyväinen EMMA-kokeen kehittymiseen 2011: kolmisivuinen loppuraportti Seuraava suunniteltu kokous: toukokuu 2013 (Pyhäsalmi) OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 17/20

EMMA-kokeen tärkeys EMMA-koe on tärkeä kosmisten säteiden polvialueen koe, ja odotettavissa pitäisi olla mielenkiintoisia tuloksia LAGUNA-ilmaisimia ajatellen EMMA-koe on tärkeä koe osoittamaan, että täällä osataan tehdä korkean tason tieteellistä tutkimusta erinomainen infrastruktuuri ei pelkästään riitä OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 18/20

EMMA ja LENA Muonivetoilmaisin LENA-ilmaisimen päälle tulee erillinen myoni-ilmaisin (LENA Top Muon Veto) EMMA- ja LENA-kokeiden synergia samantyyppiset ilmaisimet ja toimii tracking-periaatteella samanlainen, mutta pinta-alaltaan suurempi, kuin yksi EMMA-kokeen tracking-asema osallistuminen suunnittelutyöhön, myös mahdollisen kosmisten säteiden fysiikan tutkiminen OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 19/20

Kollaboraatio (kesä 2010) T. Enqvist, J. Joutsenvaara, J. Karjalainen, P. Kuusiniemi, T. Monto, T. Räihä, J. Sarkamo Univ. of Oulu, Finland T. Kalliokoski, K. Loo, M. Slupecki, W.H. Trzaska, A. Virkajärvi University of Jyväskylä, Finland L. Bezrukov, L. Inzhechik, B. Lubsandorzhiev, V. Petkov RAS/INR, Moscow, Russia H. Fynbo University of Aarhus, Denmark OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 20/20

Kollaboraatio (kesä 2010) T. Enqvist, J. Joutsenvaara, J. Karjalainen, P. Kuusiniemi, T. Monto, T. Räihä, J. Sarkamo Univ. of Oulu, Finland T. Kalliokoski, K. Loo, M. Slupecki, W.H. Trzaska, A. Virkajärvi University of Jyväskylä, Finland Väitös 2012! L. Bezrukov, L. Inzhechik, B. Lubsandorzhiev, V. Petkov RAS/INR, Moscow, Russia H. Fynbo University of Aarhus, Denmark OEI OR & PPL MYR, 10.09.2012, Pyhäsalmi 20/20