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Aula 6
Observações em Astronomia:
propriedades e dificuldades
III
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Desculpas / Aviso:
A maior parte do conteúdo destas aulas forão extraídas de livro, aulas e sítios disponíveis na internet e artigos científicos. Nem sempre as
citações apropriadas são feitas devido ao curto tempo disponível para a preparação das aulas por
isso cabe aqui um pedido de desculpas aos autores originais. Nas próximas versões deste
curso atualizarei as aulas acrescentando as citações merecidas.
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Hádrons, múons e elétrons:Medir partículas carregadas
é fácil
Fótons Fluorescência e CerenkovMedir fótons é um pouco mais
difícil: ruído
Medir neutrinos é quase impossível
Detectar um chuveiro de raios
cósmicos
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Detectar um chuveiro é factível
O que você quer medire quanto tempo você quer
esperar ?
Clem Pryke
Número de Partículas
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Perda de Energia
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BETHE |BLOCH
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Energia Crítica (Ec)se E > Ec > produção
de partículas filhas
Perda por ionização
luz na dexcitação do meio caminho ionizado > condutor
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Tipos de detector
1) Detectores a gás: câmara de nuvens, câmara de bolhas, câmara multifios, tubos streamer etc.
2) Cintiladores: plásticos, líquidos, cristais etc.
3) Fotodetectores: fotomultiplicadoras
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Victor Hess (1911)
Eletrômetro ou Eletroscópio
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Resolução Espacial e Temporal
ResoluçãoTemporal:ordem de
microsegundo
Câmeras Multi FioEnergia liberada ioniza o meio
TELESCÓPIO
Modos de operação:
1) Proporcional: baixa tensão
e fluxo
2) Contador de Partículas:
alta tensão > caminho ionizado
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Resolução Espacial e Temporal
ResoluçãoTemporal:ordem de
microsegundo
Câmeras Multi FioEnergia liberada ioniza o meio
TELESCÓPIO
Modos de operação:
1) Proporcional: baixa tensão
e fluxo
2) Contador de Partículas:
alta tensão > caminho ionizado
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Fotomultiplicadoras
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Queimadas pelo sol
Auger PMT
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SuperKamiokande
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Luz Cerenkov
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Vp > cn
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No efeito Cerenkovtemos um cone de Mach relativístico
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Polarização: baixas velocidades
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Polarização: altas velocidades
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Corrente somente em z:
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Condição limite de emissão:
=1n
=0
E=mc2
E min=n
n2−1mc2
v=cn
Velocidade:
Energia:
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E min=n
n2−1mc2n=n H E min H
E min 0=21 MeV E min 7.5 km =34 MeV
cos=1n
max H
max 0=1,38o max 7.5 km=0,85o
=1Para
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Sem espalhamento
Com espalhamento
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Parâmetros de Hillas
MISS = DIREÇÃO EM RELAÇÃO AO EIXO DO TELESCÓPIODISTANCE DEPENDE DO PARÂMETRO DE IMPACTO
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Parâmetro de ImpactoResolução
Menor que 10 metros
Direção de chegadaResolução:
Evento 0.050 Fonte: 0.0050
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Gama Proton Muon
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Muon (VERITAS)
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Proton (VERITAS)
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Gama (VERITAS)
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KASCADEKarlsruhe Shower Core and Array
DEtector
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KASCADE
Karlsruhe Shower Core
and Array DEtector
z
1) Detector Array:252 stations13 m spacing
2) Central Detector:
Calorimeter3) Muon tracking detector
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Array Detector
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Array Detector
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EM Detector
Mede a energiadepositada pelaspartículas durantea passagem pelo
cintilador e o tempode chegada
Resolução:Temporal < 1nsEnergia < 10%
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Muon Detector
Mede a energia depositada por
múons com energiaacima de 230 MeV
Resolução:Energia < 10 %
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Array Detector:Reconstruction: Arrival Direction
Arrival Direction: Arrival times: EM detectors
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Central Detector
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Central Detector
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Trigger Layer: 456 plastic scintilators
Trigger Conditions:
1) at least 8 scintilator with 1/3 muon signal
2) at least 1 sceintilator with more than 50
muons signal
![Page 49: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/49.jpg)
Muon detector: streamer tubes
![Page 50: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/50.jpg)
Muon detector: streamer tubes
![Page 51: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/51.jpg)
Muon detector: streamer tubes
![Page 52: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/52.jpg)
HiResTelescopes
![Page 53: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/53.jpg)
Técnica
Sugerida em 1960 por Greisen, Annual Rev. of Nuclear Physics.
Idéia Geral:
1) Partículas no chuveiro ionizam as moléculas de nitrogênio no ar.
2) Ao desexcitar as moléculas emitem luz de fluorescência
3) Detectar a luz de fluorescência e reconstruir o número de partículas no chuveiro
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Emissão FluorescênciaEficiência de emissão = 5 x 105
Em média1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2
3 x 5 x 105 MeV/g/cm2
é transformadoem luz de fluorescência= 1.5x104 MeV/g/cm2
Eletron 80 MeV Stop Range = 27.3 g/cm2
1 elétron transforma4x103 MeV em luz de fluorescência
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Chuveiro de 1020 eV tem1010 partículas no máximo
Energia total liberada nomáximo do chuveiro:4x107 MeV
Supondo emissão monocromática com λ = 350 nm E = hυ = hc/λ = 3.4 eV
Ou N = 1.1 x 1013 fotonsemitidos isotropicamente pelo chuveiro
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NPdet=NPemd
4
NPdet=1×1013 54×200002
Telescópio de área 5 m2 vendo um chuveiro a 20 km de distância
NP det ≈10 4 fótons
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Razão Sinal/ruído
Ruído de fundo aprox. 40 fótons/m2/deg2/µ sSem Lua
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HiRes: Limiar (3σ )Área = 5 m2
R = 25 kmΩ = 1 grau2
E = 1019.5 eVε = 25 %T = 100 ns (5.6 µs)
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HiResTelescopes
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HiResEspelhos e PMTs
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15 anos depois ...Telescópios do Auger
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Telescópios do Auger
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Telescópios do Auger
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Reconstrução do SDP ShowerDetector Plane
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Reconstrução do SDP
![Page 66: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/66.jpg)
Reconstrução do SDP
![Page 67: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/67.jpg)
Direção de chegada
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Time Fit
Ajuste de 3 parâmetros
curvatura
reta
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Direção de Chegada
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Pierre Auger Telescopes:Real Data Analysis
Far from 1D shower
ζ angleangular radius
whichmaximazes thesignal to noise
ratio
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Pierre Auger Telescopes:Real Data
E0 = 2.2 EeVRp = 10.5 km Rp = 4.5 km
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r
0
ζ
R0
r 0=R0 tan
L total=L
F r 0
Fraction of Energy Deposit
ζr 0=r 0 t
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![Page 74: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/74.jpg)
Ajuste HíbridoDF:
DS:
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Ajuste Híbrido x FD
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Ajuste Híbrido x FD
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Ajuste Híbrido x FD
![Page 78: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/78.jpg)
Ajuste Híbrido x FD
![Page 79: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/79.jpg)
Ajuste Híbrido x FD
![Page 80: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/80.jpg)
Ajuste Híbrido x FD
![Page 81: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/81.jpg)
![Page 82: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/82.jpg)
CLF: Sincronia (SD x FD)
![Page 83: Aula 6 - USP · 1 elétron relativístico deposita aprox. 3 MeV/g/cm2 3 x 5 x 105 MeV/g/cm2 é transformado em luz de fluorescência = 1.5x104 MeV/g/cm2 Eletron 80 MeV Stop Range](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052611/5f08ad907e708231d42330a9/html5/thumbnails/83.jpg)
83
Pierre Auger Collaboration, Science (2007)
Eventos com energia acima de 5.7x1019 ev
* Núcleos Ativos de Galáxias (AGN)
Exposição do Observatório
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84
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85
Auger E > 5.7 x 1019 eV
TeV = 1012 eV
PeV= 1015 eV
EeV= 1018 eV
ZeV= 1021 eV
ENERGIA