Actividades_LFEA.2017-18

Lab de Física Experimental Avançada (experiências LabRC/LIP)

2017-18 2º semestre

Fernando Barão (Dep. Física / IST)


Índice

Calendarização das actividades de LFEA 2017-18
Grupos
Trabalhos

Bibliografia
Slides das aulas (F Barao)


Calendarização das actividades de LFEA 2017-18


  Realização dos trabalhos: Maio/2018

  Apresentação dos laboratórios - LabRC: 11H30, 14 de Março (P12)

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  | Sessões               |   Horas     |                                       | Sala		 |
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  |   14/Maio             |   14H35     | Reunião preparatória calendarização   | sala LIP       |
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  |   21/Maio (2a feira)  |   14H35 (2H)| Introdução aos trabalhos              | Sala LFEA DF   |
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  |   24/Maio (5a feira)  |   14H00     | 1a sessão LabRC			| LabRC          |
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  |   28/Maio (2a feira)  |   14H00     | 2a sessão LabRC			| LabRC          |
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  |   29/Maio (3a feira)  |   15H30     | 3a sessão LabRC			| LabRC          |
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Grupos

  Medida da vida média do muão
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  84376 Cristina Rosa
        Diana Cunha
        Gustavo Marques

  Estudo da Resposta de um detector de Partículas
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  84152 Milton Freitas
  81069 Ricardo Arana

  Estudo da taxa e do tamanho de chuveiros de Raios Cósmicos
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  84039 Fernando Lima
  84394 João Silva
  84402 José Figueiredo


Trabalhos

1. Tempo de vida médio do muão Descrição e objectivos:

Os muões, com uma massa de cerca de 200 vezes maior que os electrões, são partículas instáveis criadas pelas colisões dos raios cósmicos primários (principalmente protões) com a atmosfera terrestre. Os muões desintegram-se com um tempo de vida médio de cerca de 2.2 micro segundos, num electrão ou positrão e ainda dois neutrinos. O electrão ou positrão constituem o sinal detectável no decaimento. O objectivo do trabalho é medir o tempo de vida médio dos muões, utilizando montagens experimentais concebidas expressamente para esse efeito. Uma das montagens, é baseada num bloco de material cintilador onde fotões de cintilação são emitidos, seja pelo muão, seja pelo electrão ou positrão. Na outra montagem, é utilizada água onde fotões produzidos pelo efeito de Cerenkov são emitidos. A diferença de tempos entre os dois sinais rápidos permitirá fazer uma distribuição estatística dos tempos de desintegração que seguirá uma lei exponencial cuja constante de tempo consiste no tempo de vida médio do muão.

Trabalho a realizar:

Os sinais da passagem dos muões e electrões (positrões) são colectados independentemente por dois fotomultiplicadores, que convertem o sinal luminoso em sinal de tensão V(t) muito rápido com cerca de uma dezena de nanosegundos de largura. Os sinais devem de seguida ser passados por um módulo discriminador onde um limiar de tensão é aplicado a cada um dos sinais de forma a eliminar o ruído de fundo. De seguida deve ser a coincidência em tempo entre os dois sinais, que permitirá eliminar as coincidências fortuitas. Os sinais resultantes das coincidências temporais, são então usadas para a determinação do tempo de desintegração, com o auxílio de um TDC e estes armazenados num ficheiro para posterior análise. O tempo de desintegração pode ser usado de seguida para a determinação da constante física de Fermi, GF, que caracteriza a desintegração electro-fraca. O trabalho implica actividade de análise de dados usando a linguagem C++, tomando por base um conjunto de acontecimentos armazenados com eventual selecção prévia baseada em critérios a definir.

Resultados:
Determinação do tempo de vida do muão e da constante de Fermi.

Local da experiência:
LabRC - Laboratório de Raios Cósmicos (último piso de Física)

2. Estudo e caracterização de um detector cintilador sólido Descrição e objectivos:

Um tipo de detector muito utilizado em Física de Partículas é o detector de efeito de cintilação. Neste tipo de detectores, a interacção da partícula carregada com o meio leva à deposição de energia e excitação do meio que é traduzida na emissão de luz de cintilação. Existem no Laboratório de Raios Cósmicos vários de detectores de cintilação e no trabalho aqui proposto, utilizar-se-á um detector de cintilação de um metro de comprimento acoplado a um fotomultiplicador, que converte o sinal de luz num sinal eléctrico temporalmente rápido. O sinal eléctrico correspondente à energia depositada é colectado por uma placa de aquisição desenvolvida pelo LIP, onde é feita uma amostragem temporal da amplitude do sinal. O objectivo do trabalho, é caracterizar a colecção de luz em função do local de passagem da partícula carregada (muões cósmicos) no cintilador de teste. Para a definição do local de passagem do muão cósmico, utilizar-se-ão dois cintiladores auxiliares de tamanho pequeno, colocados a uma certa distância um do outro e que funcionarão como telescópio de coincidências.

Trabalho a realizar:

O trabalho proposto implica utilizar uma pequena montagem com o cintilador de teste e o telescópio de coincidências, que deverá ser utilizado para definir a região de passagem dos muões no cintilador de teste. Devem ser feitas as coincidências dos sinais colectados pelos detectores de forma a eliminarem-se os sinais fortuitos. A magnitude dos sinais adquiridos é registada num ficheiro ROOT para posterior análise. A análise destes ficheiros implica o desenvolvimento e/ou utilização de código em C++.

Resultados:

A análise a efectuar, deverá permitir a caracterização da colecção de luz pelo cintilador, e desta forma a sua eficiência em função da posição de atravessamento do muão no cintilador de teste. Os resultados obtidos poderão ser comparados com resultados simulados usando a técnica de monte-carlo.

Local da experiência:
LabRC - Laboratório de Raios Cósmicos (último piso de Física)

3. Estudo da taxa de chuveiros atmosféricos com a energia Descrição e objectivos:

Os Raios cósmicos primários de muito alta energia interagem no topo da atmosfera terrestre originando chuveiros de partículas. Estes chuveiros, primeiro descobertos pelo físico francês Pierre Auger, propagam-se na atmosfera a velocidades próximas da luz como um conjunto coerente de partículas. O objectivo deste trabalho experimental é estabelecer a evidência deste fenómeno usando detectores de partículas instalados no telhado do Departamento de Física junto ao Laboratório de Raios Cósmicos (LabRC). A área detectável coberta pelos chuveiros de partículas depende da energia da partícula primária que originou o chuveiro. Por isso, a distância entre os detetores componentes da rede de detecção definem a energia mínima de detecção.

Trabalho a realizar:

O trabalho centra-se no uso de detectores do tipo cintilador para registar a chegada de partículas. Com uma configuração de vários detectores é possível estabelecer uma coincidência temporal na chegada das partículas e definir a existência de um chuveiro de partículas. Devem ser realizadas aquisições de dados recolhidos pela rede de detectores, para diferentes distâncias entre estes. Os dados são registados num ficheiro ROOT e a sua posterior análise será realizada em C++.

Resultados:

O resultado principal consiste na elaboração da curva da taxa de coincidências em função da distância dos detectores. Poderão também ser realizados estudos de variabilidade da taxa de coincidências com o tempo.

Local da experiência:
LabRC - Laboratório de Raios Cósmicos (último piso de Física)


Bibliografia

Bibliografia geral

"Physics of Particle Detection", Claus Grupen
https://arxiv.org/pdf/physics/9906063.pdf

"Cosmic Rays Physics", Domenico D'Urso
https://arxiv.org/abs/1411.4642

"Cosmic Ray Muon Physics", S. Cechinni and M. Sioli
http://xxx.lanl.gov/pdf/hep-ex/0002052v1

"Tidal Frequencies in the Time Series Measurements of Atmospheric Muon Flux from Cosmic Rays", Takai et al.
https://arxiv.org/pdf/1610.05983.pdf

"Particle Data Group (2017)"

Bibliografia Trabalho tempo de vida médio do muão

"Laboratory study of the cosmic-ray muon lifetime", T.Ward et al. (1984)
American Journal of Physics

Bibliografia Trabalho detector cintilador

Bibliografia Trabalho chuveiros

Nota histórica from Olivier Ravel:
(...)
In 1934, Bruno Rossi made observations in Eritrea of correlated particles with Geiger counters separated by few tens of centimeters. He undoubtedly observed the first cosmic showers. However, credit for the discovery of cosmic air showers has been given to Pierre Auger. With collaborators, they were the first to separate the counters by several meters. They undertook these experiments on the roof of the Ecole Normale Superieure and under the dome of the Pantheon in Paris (...)
After, it was to difficult to extend the experiment in Paris. Consequently, Auger and collaborators moved to the altitude observatories at the Jungfraujoch in Switzerland and at the Pic du Midi de Bigorre in the French Pyrenees.(...)

"Cosmic Ray theory", Rossi, B., Greisen, K.
Reviews of Modern Physics 13(4), 240–309 (1941)

"Origin of the Soft Component of Cosmic Rays", Rossi, B., Greisen, K.
Physical Review 61(3-4), 121–128 (1942)

"Extensive Air Showers and Ultra High-Energy Cosmic Rays: A Historical Review", A. Watson and KH Kampert (2012)
https://arxiv.org/pdf/1207.4827.pdf

"Progress on high-energy cosmic ray physics", S. Mollerach and E. Roulet (2017)
https://arxiv.org/pdf/1710.11155.pdf


SLides da aula introdutória

Introdução
Experiências