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Resultados del taller "Instrumentación en física de partículas elementales" como parte del proyecto escaramujo en La Paz - Bolivia

 

Results of the workshop "Instrumentation in elementary particle physics" as part of the escaramujo project in La Paz - Bolivia

 

 

Naomi Guachalla Alarcón¹", Sergio Yáñez Pagans*, & Carla Calle García*
tnaomiguaa@physics.org, sergioyapa@physics.org, *carlacalle@physics.org
(Recibido 9 de junio de 2016; aceptado 6 de julio de 2016carlacalle@physics.org

 

 

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Resumen

En este trabajo mostramos los resultados obtenidos en el taller "Instrumentacion en Física de Partículas Elementales" como parte del proyecto Escaramujo. Este proyecto consistio de la construccion de tres detectores con base en centelladores plásticos y fotomultiplicadores de silicio que utilizamos para medir la tasa de partículas cargadas (TPC) a diferentes altitudes (entre 3427 y 5238 msnm) y a una misma altitud (5238 msnm). Ademas, caracterizamos filtros de plomo de diferentes grosores mediante la medicion de la TPC con los detectores ubicados debajo de estos. Hallamos que la TPC crece exponencialmente con la altitud y que presenta fluctuaciones a una misma altitud. Por otro lado, nuestros resultados indican que filtros de plomo con grosores superiores a un valor crítico de 5 mm son capaces de absorber partículas cargadas, ocasionando un decrecimiento de tipo exponencial en la TPC en funcion del grosor, mientras que los filtros con grosor inferior a dicho valor ocasionan un incremento en la TPC.

Codigo(s) PACS: 95.55.Vj — 95.85.Ry — 95.45.+i

Descriptores: Detectores de partículas elementales y rayos cosmicos — Rayos cósmicos — Instalaciones de deteccion.

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Abstract

In this paper we show the results obtained in the workshop "Instrumentation in Elemen-tary Particle Physics" as a part of the Escaramujo project which consisted of the construction of three detectors based on plastic scintillators and silicon photomultipliers that we used for measuring the rate of charged particles (TPC) at different altitudes (between 3427 and 5238 masl) and at the same altitude (5238 masl). Moreover, we characterized lead filters of different thicknesses by measuring the TPC with the detector located below them. We found that the TPC grows exponentially with altitude and that it has fluctuations at the same altitude. On the other hand, our results indicate that lead filters with thickness greater than a critical value of 5 mm are capable of absorbing charged particles, causing an exponential decrease in the TPC as a function of the thickness; meanwhile the filters with thickness lower than that value cause an increase in TPC.

Subject headings: Elementary particle and cosmic ray detectors — Cosmic rays — Observa-tories and site testing.

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1. INTRODUCCIÓN

En 1911, Victor Hess descubrio que existía radiación penetrante en la atmósfera proveniente del espacio exterior y la denominó "rayos cósmicos", término que engloba todo tipo de partículas que llegan a la Tierra provenientes del espacio exterior (Gaisser 1990). Ademas, dedujo que la intensidad de la radiacion producida por los rayos cósmicos secundarios aumenta con la altitud. Cuando los rayos cósmicos llegan a la atmosfera terrestre producen chubascos de partículas de alta energía los cuales se desarrollan a lo largo de la misma debido a la interaccion con los núcleos atómicos que se encuentran en el aire (Antoni et al. 2003).

Como parte del Proyecto Escaramujo el Dr. Federico Izraelevitch dicto el taller: "Instrumentación en Fısica de Partículas Elementales" en distintas instituciones de Latinoamerica. Este tuvo como objetivo construir y poner en marcha detectores de rayos cosmicos basados en centelladores plásticos y foto-multiplicadores de silicio (SiPM). Durante el taller dictado en La Paz - Bolivia utilizamos los detectores para tomar medidas de la TPC a una misma altitud y a diferentes altitudes, estas ultimas tuvieron como fin reproducir los resultados del experimento de Victor Hess. Ademas, medimos la TPC con los detectores ubicados debajo de diferentes filtros de plomo a fin de comprobar su capacidad de absorber partıculas cargadas.

En el presente trabajo analizamos los datos obtenidos durante el taller anteriormente mencionado. Encontramos que a una misma altitud la TPC presenta fluctuaciones y que existe una dependencia exponencial de la misma con la altitud. Ademas, comprobamos que los filtros de plomo que poseen un grosor superior a un cierto valor crítico (5 [mm]) son capaces de absorber partıculas cargadas, mientras que los que poseen un grosor inferior a dicho valor incrementan la TPC, comportamiento que pudo deberse a interacciones de rayos 7 con dichos filtros que generan un exceso de partículas cargadas.

 

2. DESCRIPCION Y CONSTRUCCIÓN DEL DETECTORee

Construimos tres detectores² con centelladores plasticos (EJ-200, Eljen Technology) cuadrados de 25.5 cm de lado y 1.0 cm de grosor. Estos ultimos emiten fotones visibles debido a interacciones electromagneticas con partículas cargadas, principalmente ionizacion y excitación. Sin embargo, algunos de estos fotones poseen un angulo de incidencia menor al angulo crítico, lo que implica que estos no son reflejados por sus paredes y "escapan". Con el fin de que todos estos fotones se refracten hacia el centellador nuevamente y sigan su trayectoria a traves de el, recubrimos el mismo con papel tyvek blanco y con papel negro, este ultimo para evitar el ingreso de fotones de fuentes externas al centellador. Dejamos espacio suficiente en ambas capas de papel para colocar el fotomultiplicador de silicio (SiPM³) cuadrado de 6 [mm] de lado, este tenia la función de recibir la luz de centelleo, producir electrones, incrementar la cantidad de los mismos y convertirlos en un pulso electrico (Buzhan et al. 2003). Posteriormente, conectamos cada uno de estos detectores a un canal de entrada de un divisor de voltaje (denominado DV) que sirvio para regular manualmente el voltaje operativo (Fig. 1).

Conectamos el DV a un conversor TDC⁴ (QuarkNet (Rylander et al. 2010), proporcionado por Fermi-Lab) que tuvo como funcion digitalizar los pulsos electricos (Fig. 2). Además, conectamos el canal de salida del DV a un osciloscopio (Tektronix DPO 3034 300MHz 2.5GS/s) en el cual observamos un pulso analogico que nos permitió comprobar el correcto funcionamiento de cada detector (Fig. 3).

El ingreso de fotones a un detector genera una variacion en el voltaje operativo, es por esto que expusimos cada detector a fuentes externas de luz y tomamos medidas de la variacion en el voltaje operativo, esto con el fin de comprobar que no existan regiones en el detector por las que puedan ingresar los fotones de dichas fuentes.

Finalmente, apilamos los detectores y conectamos el conversor TDC a la computadora Rasp-berry PI2 (Fig. 4), que mediante el programa Mini-com (Minicom 2016) permitio ajustar los parámetros (umbral, trigger ⁵, etc.) y recolectar datos. Tambien conectamos un GPS a dicha computadora para medir la altitud (Fig. 5).

2.1. Calibración del detector

Con el fin de encontrar el voltaje operativo y el voltaje de umbral (mediante el cual se discriminan las partículas menos energeticas) adecuados de un detector para la toma de datos, medimos la TPC (en Hz⁶) para diferentes voltajes y un umbral fijo. Realizamos esto para diferentes valores del umbral (20, 30 y 40 [mV]) y hallamos la region de plateau para cada uno de estos (Fig. 6). A partir de dichas regiones obtuvimos un intervalo del voltaje operativo (28.8-29.8 [V]) y un voltaje de umbral (30 [mV]), escogimos este ultimo debido a que existe menor variacion en los puntos en su región de plateau en comparacion con las regiones de plateau correspondientes a otros valores del voltaje de umbral. A recomendacion del Dr. Federico Izraelevitch, supusimos valores del voltaje operativo y del voltaje de umbral similares para los otros dos detectores, esto debido a que dichos detectores fueron manufacturados de igual manera.

 

3. TOMA DE DATOS EXPERIMENTALES

3.1. Medición de la TPC en función de la altitud

Este experimento consistio en medir la TPC a diferentes altitudes. Tomamos datos a lo largo de la trayectoria entre el Laboratorio de Rayos Cosmicos (LRC) de la Universidad Mayor de San Andres ubicado en el campus de Cota Cota (3427 m.s.n.m.) (Fig. 7) hasta el Laboratorio de Chacaltaya (5238 m.s.n.m.). Medimos la TPC en intervalos de 2 minutos con el fin de tener datos suficientes para realizar un analisis estadístico y tener una tendencia clara entre las variables estudiadas.

Se realizo un segundo experimento, el cual consistio en medir la TPC a una misma altitud en el Laboratorio de Chacaltaya (5238 m.s.n.m.). En este caso, medimos la TPC en intervalos de 5 minutos a lo largo de 1.5 horas, nuevamente para tener datos suficientes para realizar un analisis estadístico y tener una tendencia clara. El error en la medida de la TPC se debe a fluctuaciones de la misma, por lo que a traves de los datos obtenidos en este experimento (Fig. 10) pudimos calcular el error porcentual (0.4%). Como se menciono anteriormente, tomamos datos para una unica altitud, por lo que no sabemos el error asociado a la TPC a diferentes altitudes, sin embargo, este experimento nos da una idea de su valor.

3.2. Caracterización de filtros de plomo

Este experimento consistio en medir la TPC con los detectores ubicados debajo de filtros de plomo para estudiar su capacidad de absorber las partículas menos energeticas. Empleamos filtros de plomo de diferentes grosores (5, 10, 15, ..., 40 [mm]) como se muestra en la Fig. 8.

 

4. RESULTADOS

4.1. Medición de la TPC en función de la altitud

Los resultados hallados para la TPC a diferentes altitudes se muestran en la Fig. 9. Realizamos un ajuste exponencial con un coeficiente de determinación R² = 0.972.

La ecuacion que mejor describe el comportamiento de los datos esta dada por la ecuación (1)

donde T es la TPC, h es la altitud y a, b son coeficientes dados por

Por otro lado, los resultados hallados para la TPC a una misma altitud se muestran en la Fig. 10.

4.2. Caracterización de filtros de plomo

Los resultados hallados para la TPC con los detectores ubicados debajo de diferentes filtros de plomo se muestran en la Fig. 11. Observamos un incremento de la TPC con filtros con grosores menores al valor crítico, el cual es 5 [mm]. Ademas, observamos un decrecimiento de la misma con filtros con grosores superiores a dicho valor.

La ecuacion más simple que describe satisfactoriamente el comportamiento de los datos, con un coeficiente de determinación R² = 0.999, esta dada por la ecuacion (3)

donde T es la TPC, es el grosor del filtro de plomo y son coeficientes dados por:

 

5. CONCLUSIONES

Encontramos que la TPC crece exponencialmente con la altitud y que la misma fluctua en el intervalo [Hz] al ser medida a una misma altitud (Laboratorio de Chacaltaya (5238 m.s.n.m.)). Ademas, encontramos que los filtros de plomo con grosores menores al valor crítico son incapaces de absorber partículas de la TPC dado que estos incrementan la misma, este comportamiento

se describe por la ecuacion de Bethe-Bloch (Bethe & Ashkin 1953). El mismo pudo deberse a las interacciones de rayos con dichos filtros, las cuales generan un exceso de partıculas cargadas. Por otro lado, los resultados muestran que los filtros de plomo son absorbentes si tienen grosores superiores al valor crıtico. El comportamiento de la TPC detectada debajo de los filtros mencionados puede ser modelado mediante una suma de dos funciones exponenciales con coeficientes (A, C) de signos opuestos y exponentes (B, D) negativos.

 

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos al Dr. Federico Izraelevitch, fundador del proyecto Escaramujo. A los docentes del laboratorio de rayos cosmicos de la Universidad Mayor de San Andres: Dr. Martin Subieta, Dr. Hugo Rivera, Ing. Pedro Miranda. A los patrocinadores del proyecto Escaramujo: Senselight, Eljen Technology, RAICES, RE.C.A.R.MO, Consulado General de la Republica de Argentina, LAGO y Fermilab. Ademas a los participantes del proyecto Escaramujo: Maricela Flores (Benemerita Universidad Autónoma de Puebla), Cesar Cornejo, Kevin Cordero, Erick Be-razain, Ronald Condori y Javier Rıos por su colaboracion en la construcción de los detectores y en la toma de datos.

 

NOTAS

 ¹ http://es.escaramujoproject.org/

² De aquí en adelante, llamaremos a los detectores basados en centelladores plasticos y fotomultiplicadores de silicio (SiPM) simplemente como detectores.

³  A diferencia de un fotomultiplicador convencional, el SiPM opera en el orden de los voltios y no en el de los kilovoltios (Silicon photomultiplier 2016).

⁴ Timeto-Digital Converter.

⁵  Nos permite capturar las senales cuando se cumple una condicion determinada en la señal, por ejemplo cuando ésta supera el umbral.

⁶  Hz = cuentas/s.

⁷ Este coeficiente se conoce como "longitud de radiacion" que es la distancia media a la cual un electron pierde toda su energía (excepto 1/e) mediante bremsstrahlung (Groom & Klein 2000).

 

REFERENCIAS

Antoni T. et al. (2003), Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 513, 490         [ Links ]

Bethe H. A. & Ashkin J. (1953), Experimental nuclear physics (E. Segre (Wiley, New York))         [ Links ]

Buzhan P. et al. (2003), Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 504, 48         [ Links ]

Gaisser T. K. (1990), Cosmic rays and particle physics (Cambridge University Press)         [ Links ]

Groom D. E. & Klein S. R. (2000), The European Physical Journal C-Particles and Fields 15, 163        [ Links ]

Hess V. F. (1912), Z. Phys. 13, 1084         [ Links ]

Minicom (2016), https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Minicom& oldid=717026370        [ Links ]

Silicon photomultiplier (2016), https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Silicon photomultiplier&oldid=705772134        [ Links ]

Rylander J. et al. (2010) QuarkNet Cosmic Ray Muon Detector (Users Manual-Series "6000" DAQ.)        [ Links ]