Estágios de Verão 2016 para alunos MEFT (2º-4º anos)

Actividades relacionadas com o Lab de Raios Cósmicos
1. Desenvolvimento de uma aplicação em C++ ou python para leitura de dados
2. AMU - teste e operação de um telescópio portátil de muões
Actividades no quadro da experiência AMS, instalada na estação espacial
3. Selecção de positrões e medida da sua taxa diferencial (dN/dt.dRig)
4. Simulação das distribuições de referência (templates) de massa para efeitos da medida de abundância de isótopos He3 e He4
Actividades no quadro da experiẽncia SNO+ de detecção de neutrinos
5. Radiação de luz de cintilação e de Cerenkov em SNO+: desenvolvimento de uma ferramenta de previsão do sinal detectável e de identificação de partículas
6. Determinação da taxa de eventos muão detectáveis a 2km de profundidade

Actividades relacionadas com o Lab de Raios Cósmicos

1. Desenvolvimento de uma aplicação em C++ ou python para leitura de dados

A desintegração do muão é uma medida que é feita no quadro do Laboratório de Raios Cósmicos. Utiliza-se para tal um módulo de aquisição que inclui um TDC (time digitizer converter) que digitaliza o tempo que decorre entre dois sinais, a paragem do muão no detector e o surgimento do electrão - o tempo de vida do muão. Este tempo é medido através do protocolo SPI (Serial Peripheral Interface Bus, https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus).
É utilizado um micro computador raspberry PI (RPI) para, através de um cabo expressamente feito, ligá-lo ao TDC.
O RPI possui um sistema operativo linux e pode por isso ser utilizado como plataforma de desenvolvimento de software de leitura de dados.

Trabalho proposto:

Este trabalho implica:

2. AMU - teste e operação de um telescópio portátil de muões

O projecto AMU consiste num detector portátil de muões cósmicos baseado em componentes usados de forma corrente em experiências de física de partículas e que possa ser operado por estudantes nas escolas secundárias. O detector proposto é constituído por:

Cada cintilador, com as respectivas fibras e SiPM, é alojado numa pequena caixa estanque à luz com conectores para a alimentação do SiPM e para a leitura do seu sinal de saída. A electrónica de front-end é colocada conjuntamente com cada cintilador, junto so sensor de luz.

Numa caixa independente (de menores dimensões) estará alojado um micro computador do tipo Raspberry PI / Beaglebone e uma placa electrónica especialmente desenvolvida para realizar as coincidências em tempo dos diferentes sinais e equipada de um conversor DC-DC que fornece as tensões de alimentação dos sensores de luz. Este sistema de aquisição e de controle de tensões adquire assim os dados dos três cintiladores (um sistema simples de thresholds) e realiza as seguintes tarefas:

Trabalho proposto:


Actividades no quadro da experiência AMS, instalada na estação espacial

A experiência AMS (ver link da nasa por exemplo, http://ams.nasa.gov/) encontra-se instalada na estação espacial internacional desde Maio de 2011 a recolhar dados, isto é, raios cósmicos - maioritariamente protões - que atravessam o detector e nele deixam sinais. AMS possui todas as características de um detector de partículas e permite por isso, a identificação dos diferentes tipos de partículas que o atravessam: protões, electrões, positrões, antiprotões, hélios, ...
A instalação do detector fora da atmosfera terrestre transforma-o num observatório único do Universo e onde se esperam contribuições para o problema "de que é feita a matéria escura?" Para além disso, AMS permitirá medir com uma resolução nunca antes alcançada, os espectros das diferentes partículas constituintes dos raios cósmicos até energias de alguns TeV. AMS detecta e regista cerca de 500 acontecimentos por segundo. Isto correposnde a cerca de 15 mil milhões de acontecimentos acumulados por ano, dos quais cerca de 90% são protões, 1% electrões, 0.1% positrões, 0.01% antiprotões, etc.

3. Selecção de positrões e medida da sua taxa diferencial (dN/dt.dRig)

Nos dados colectados pela experiência AMS existem cerca de 0.1% de positrões (antipartícula do electrão, descoberta nos anos 30). Os positrões são uma espécie particularmente interessante na procura de matéria escura. No entanto, a selecção de positrões nas experiências é particularmente problemática dada a presença em grande número de protões (1000 vezes mais abundantes). O detector AMS, possui vários subdetectores capazes de distinguirem protões de electrões/positrões.

Neste trabalho, deve ser realizado um pequeno programa de análise de dados em C++, que realize as seguintes etapas:

4. Simulação das distribuições de referência (templates) de massa para efeitos da medida de abundância de isótopos He3 e He4

Cerca de 10% das partículas cósmicas são hélios (Z=2) constituídos maioritariamente por isótopos He3 e He4, sendo a razão He3/He4 variável entre 10 e 20%, dependendo da rigidez magnética. A identificação de isótopos pode ser feita recorrendo a distribuições de referência de massa que tenham em conta as incertezas nas medidas da velocidade e da rigidez magnética. Desta forma, seleccionando eventos hélio e fazendo a sua distribuição em rigidez, podemos fazer a determinação estatística do número de acontecimentos dos dois isótopos através do ajuste das distribuições de referência de massa.

O trabalho proposto visa fazer uma pequena simulação dos fluxos de hélio e dos seus isótopos que reproduza os dados experimentais e a partir desta, fazer uma análise que permita medir a razão do número de isótopos He3/He4.

Trabalho proposto:

Bibliografia:


Actividades no quadro da experiẽncia SNO+ de detecção de neutrinos

SNO+ é uma experiência subterrânea para detecção de neutrinos localizada em Sudbury, Canada. O principal objectivo da experiência é a procura decaimento duplo-beta sem neutrinos utilizando para tal o radioisótopo Te-130 misturado num cintilador líquido.
Para além disso, incluem-se como outros objectivos de física o estudo de geo-neutrinos e de neutrinos provenientes de supernovas ou matéria escura. A determinação da direcção do neutrino incidente e a capacidade de separar luz de cintilação e luz de cerenkov é particularmente importante para alguns destes canais de física.

5. Radiação de luz de cintilação e de Cerenkov em SNO+: desenvolvimento de uma ferramenta de previsão do sinal detectável e de identificação de partículas

Uma partícula carregada como por exemplo o electrão, ao atravessar o cintilador líquido, perde energia e esta é convertida em luz de cintilação que é radiada de forma isotrópica. Esta radiação pode sofrer diferentes interacções:

No final a radiação é depois detectada pelos fotomultiplicadores que se encontram na superfície da esfera de cerca de 8 metros de raio.

Neste trabalho pretende-se desenvolver um framework (ferramenta) em C++ que permita resolver de forma computacional as diferentes interacções descritas acima, usando para tal uma rede de nós de interacção. O objectivo final é de obter a descrição do sinal esperado de luz em cada photodetector bem como a sua distribuição de tempos.

6. Determinação da taxa de eventos muão detectáveis a 2km de profundidade

Os muões cósmicos (muões produzidos nas cascatas atmosféricas resultantes da interacção da partícula cósmica primária com a atmosfera) que chegam à superfície da Terra constituem uma fonte potencial de contaminação para as experiências de neutrinos, apesar destas se encontrarem normalmente a grande profundidade. As reacções induzidas pelos muões na rocha ou nos materiais vizinhos do detector podem gerar isótopos radioactivos e neutrões que podem simular os sinais físicos objectivo das experiẽncia. Torna-se assim importante estimar esta potencial contaminação e proceder à sua identificação.

Os muões que chegam às experiências subterrâneas de neutrinos, têm que atravessar a rocha, perdendo assim energia de uma forma contínua (perdas por ionização) ou de forma radiativa. O processo de perdas por ionização é dominante até energias do muão de cerca de 500 GeV e impôe uma perda de energia por unidade de comprimento essencialmente constante. As perdas radiativas são proporcionais à ehergia do muão. As características médias da rocha são: densidade=2.65 g/cm^3, A=22, Z=11.

Trabalho proposto:

Bibliografia: