NGHIÊN CỨU HẠT MUON TRONG MƯA RÀO KHÍ QUYỂN DIỆN RỘNG GHI NHẬN TẠI HÀ NỘI BẰNG DETECTOR CHERENKOV NƯỚC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÍ NGUYỄN THỊ THẢO NGHIÊN CỨU HẠT MUON TRONG MƯA RÀO KHÍ QUYỂN DIỆN RỘNG GHI NHẬN TẠI HÀ NỘI BẰNG DETECTOR CHERENKOV NƯỚC Công trình hoàn thành Viện Vật lí trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam; Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân Hà Nội Người hướng dẫn: GS PIERRE DARIULAT Phản biện 1: TS Trần Ngọc Tiềm, Trường Đại học Khoa học Công nghệ Hà Nội Phản biện 2: TS Đặng Quang Thiệu, Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam Phản biện 3: PGS TS Đinh Văn Trung, Viện Vật lí trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Chuyên ngành: Vật lí nnguyên tử Mã số: 62 44 01 06 Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện ………………………………………………………… vào hồi……giờ… ngày….tháng… năm 2014 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Hà Nội − 2014 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân Luận án trình bày nghiên cứu chi tiết hoạt động detector Cherenkov VATLY, detector mặt đất sử dụng Đài thiên văn Pierre Auger (PAO) Đề tài nghiên cứu tập trung vào đáp ứng detector tín hiệu nhỏ, tới phần mười tín hiệu tạo hạt muon xuyên qua detector theo phương thẳng đứng (VEM), mở rộng vùng hoạt động detector lên đến 104 Nghiên cứu sử dụng phương pháp tìm kiếm thực nghiệm phân rã hạt muon dừng khối nước detector, có vài phần trăm thông lượng hạt phát đủ ánh sáng Cherenkov để ghi nhận trước bị dừng hoàn toàn Nghiên cứu làm rõ nhiều tính chất trình ghi nhận thông lượng tia vũ trụ Luận án bao gồm phần Nội dung phần mô tả Phần giới thiệu chung tia vũ trụ Chúng hạt nhân nguyên tử vào Trái đất từ không gian với lượng lên đến 1020 eV ~ 16 Joules Mặc dù thông lượng không lớn đóng góp chúng vào mật độ lượng vũ trụ tương đương xạ phông vũ trụ (CMB) hay ánh sáng nhìn thấy từ trường, cụ thể ~ eV/cm3 Phổ lượng hàm mũ chúng mở rộng tới 32 bậc thông lượng (12 bậc lượng), có dạng gần E – 2,7 nước bao phủ diện tích ~ 3000 km2 kết hợp với 24 kính thiên văn ghi nhận ánh sáng huỳnh quang tạo mưa rào qua bầu khí Trái đất PAO tìm thấy chứng rõ ràng tồn ngưỡng cắt Greisen - Zatsepin - Kuzmin (GZK ), kết phản ứng photoproduction hạt pion với CMB Đài thiên văn tìm thấy mối liên hệ tia vũ trụ lượng cao với thiên hà lân cận, đặc biệt với Cen A (tâm thiên hà hoạt động gần Trái đất nhất) mối liên hệ yếu, lại phần lớn tia có nguồn gốc chưa rõ ràng, có lẽ độ phổ cập tương đối hạt nhân sắt tăng đáng kể dẫn đến bẻ cong lớn từ trường thiên hà Hầu hết tia vũ trụ lượng thấp nằm có nguồn gốc Ngân hà gia tốc từ vỏ tàn dư vụ nổ siêu (SNR) Cơ chế gia tốc tia vũ trụ lượng thấp mô tả tốt gia tốc sốc khuếch tán hạt ngang qua bề mặt sốc Tại mực nước biển, thông lượng tia vũ trụ phần lớn hạt muon có phổ xung lượng suy giảm sâu với động trung bình ~ GeV Các đặc điểm chúng nhắc lại ngắn gọn luận văn, bao gồm kết đo xác thực nhóm nghiên cứu Hà Nội PAO nghiên cứu vùng lượng cao phổ, nơi tìm thấy thành phần tia vũ trụ thiên hà Đây đài thiên văn lớn giới bao gồm ~ 1700 detector Cherenkov Các detector Cherenkov nước sử dụng VATLY PAO mô tả chi tiết phần Hình ảnh chụp detector hình vẽ sơ đồ hệ đo Detector thùng nước hình trụ có diện tích đáy ~ 10 m2, đổ đầy nước tinh Normalized ADC counts Charge (ADC channels) #3 120 cm 162 cm Mái nhà #6 #5 Normalized ADC counts 80 cm Normalized ADC counts #4 Normalized ADC counts khiết tới độ cao 1,2 m Ánh sáng Cherenkov tạo hạt tích điện qua khối nước ghi nhận ba ống nhân quang điện có đường kính 22,86 cm, cực dương tín hiệu lối dynode cuối cung cấp số liệu cho biết thông tin điện tích thời gian hạt vào thùng Charge (ADC channels) Charge (ADC channels) Charge (ADC channels) Hình Trái: Ảnh chụp detector Cherenkov VATLY nhấp nháy phía Hình Phân bố điện tích ống nhân quang điện điện phân bố hodoscope Phải: Sơ đồ lắp đặt hệ đo điện tích trung bình ống nhân quang điện điện (hình cuối) Phần trình bày đáp ứng detector Cherenkov VATLY hạt muon xuyên qua detector theo phương thẳng đứng Kết sử dụng để hiệu chỉnh thang đo điện tích theo đơn vị VEM số liệu PAO Hà Nội Để hiệu chỉnh thang đo điện tích, lắp đặt hodoscope làm từ nhấp nháy để cung cấp xung kích hoạt (trigger) Thiết kế vận hành hodoscope mô tả chi tiết Phân tích số liệu Cherenkov bao gồm việc lựa chọn mẫu hạt muon xuyên tương đối tính cung cấp phép đo số hạt quang điện tử tạo VEM từ chiều rộng phổ phân bố điện tích (Hình 2) Phần giới thiệu vấn đề ghi nhận hạt electron sinh từ phân rã hạt muon dừng khối nước Đây phép kiểm tra hoạt động detector Cherenkov vùng tín hiệu có biên độ thấp tín hiệu electron dự đoán nhỏ phần mười lần tín hiệu muon đâm xuyên detector theo phương thẳng đứng Chúng viết chương trình mô trình phân rã tiến trình ghi nhận tín hiệu để tìm hiểu tổng quát vấn đề ước tính tốc độ đếm cường độ tín hiệu Ngược lại với tương tác nhấp nháy, nơi mà hạt lượng theo Bethe – Bloch, tăng mạnh vùng cuối đường Bragg, phát xạ Cherenkov lúc mờ nhạt ngừng hẳn vị trí 11 cm trước hạt dừng hẳn Điều này, cộng thêm với thực tế lượng trung bình mưa rào điện từ tạo electron sinh từ phân rã muon khoảng 37 MeV, làm cho việc phát hạt muon phân rã khối nước đặc biệt khó khăn Phần trình bày phép đo phổ tự tương quan thời gian Phân bố tự tương quan công cụ sử dụng nghiên cứu này, phân tách tín hiệu electron sinh từ phân rã muon tín hiệu muon kép (tín hiệu hai hạt muon ghi nhận lúc khối nước, hai hạt thuộc mưa rào từ hai mưa rào khác nhau) Chúng tính toán giải tích dạng hàm phân bố viết chương trình mô số để tìm hiểu tác động riêng biệt kiện muon kép kiện electron sinh từ phân rã muon, đồng thời tìm cách phân tách hai phổ từ số liệu thực Trong thực tế, phổ tự tương quan thời gian quy thành tổng phổ phân bố theo thời gian có dạng hàm mũ Phần mô tả thí nghiệm lắp đặt cho phép đo tự tương quan Thí nghiệm sử dụng lắp đặt phức tạp thiết bị điện tử (Hình 3) cho phép giải vấn đề tốc độ đếm đơn cao ngưỡng cắt tín hiệu bị hạ thấp để ghi nhận hạt electron Ý tưởng lấy kiện có hai 50 ns 50 ns Signal in δt Fan out TU1 out Stop ×½ TU2 T A C M C A ×½ W1 D1 Start Var Disc out TU1 Start GATE TU1 bar D 50 ns TU2 in PU0 Stop TU2 out D2>W1+D1 D2– δt TAC Hình Hệ điện tử dành riêng cho phép đo tự tương quan thời gian gồm chuyển thời gian thành biên độ (TAC) máy phân tích biên độ đa kênh (MCA) Hình trái: Sơ đồ logic Hình phải: Giản đồ thời gian tín hiệu liên tiếp ghi nhận cửa sổ thời gian 10 µs, tín hiệu tín hiệu mở cửa sổ thời gian Phương pháp làm giảm đáng kể tốc độ kiện Tuy nhiên, giá phải trả 10 µs để ghi nhận kiện Chúng thu phổ phân bố thời gian khoảng thời gian tín hiệu đầu với tín hiệu thứ hai phổ cường độ tín hiệu tín hiệu thứ hai Hệ thống điện tử mô tả chi tiết với phép đo hiệu chuẩn nhiều bình luận hoạt động hệ (Hình 4) sử dụng bảy ngưỡng cắt tín hiệu khác để phân tách tín hiệu electron nhỏ muon phân rã với tín hiệu lớn hạt muon xuyên mà phần lớn kiện trùng phùng ngẫu nhiên Phép phân tích thực phần không đặt giả thiết phân bố điện tích giả sử tín hiệu hai họ kiện Ngược lại, phép phân tích phần có tham vọng hiểu mô hình hóa hai phân bố Hình Giản đồ tổng quan hệ điện tử Phép phân tích phần dựa giả thiết sau: phần phổ phân bố thời gian liên quan tới kiện muon trùng phùng ngẫu nhiên, kiện có phân bố thời gian đồng phân bố điện tích chủ yếu vùng điện tích lớn Trong đó, thành phần phổ phân bố thời gian có đặc tính muon phân rã có tín hiệu phổ biến vùng điện tích nhỏ Ngoài ra, phần phổ phân bố thời gian dành cho đóng góp có kiện muon kép đến từ mưa rào, tách rời khoảng thời gian cỡ micro giây Các số liệu thu hoàn toàn phù hợp với giả thiết Những hàm khớp tuyệt vời thu cho phổ thời gian tự tương quan (hình 5, bên trái) Phần dành riêng cho việc phân tích số liệu thu thập điều kiện thí nghiệm khác Số liệu bao gồm phổ tự tương quan thời gian phổ cường độ tín hiệu Hai phổ sử dụng bảy khoảng thời gian làm trễ tín hiệu khác để tách rời phần đóng góp muon phân rã với phần muon trùng phùng ngẫu nhiên: muon phân rã khoảng thời gian ~ µs muon trùng phùng ngẫunhiên phân bố thời gian gần đồng nhất.Hai phổ Tuy nhiên, gặp khó khăn khảo sát phân bố điện tích Khó khăn xuất đỉnh tín hiệu thấp trong phân bố điện tích vùng thời gian đồng nhất, tín hiệu không chương trình mô dự đoán cho phân bố điện tích hạt muon xuyên (Hình 6) Số liệu Mô hình Normalized MCA counts Normalized MCA counts Số liệu Mô hình Time (µs) Time (µs) Hình Hình trái: Phổ tự tương quan thời gian với ngưỡng cắt tín hiệu khác Hình phải: Phân bố electron sinh từ phân rã muon Trong hầu hết khoảng chia, số liệu (đường màu xanh) bị khuất sau kết mô hình tính (đường màu đỏ) Dự đoán điện tích hạt muon 14 hạt quang điện tử VEM Phép đo Ha Noi Số liệu Mô hình 1VEM Điện tích (VEM) Phép đo PAO Cắt nhiễu Điện tích (số kênh ADC) Điện tích (số kênh ADC) Hình Phân bố điện tích muon thu từ mô (hình trái), từ đo đạc Hà Nội (hình giữa) từ đo đạc Auger (hình phải) riêng hệ điện tử cho tín hiệu Trong khó khăn thứ hai dễ dàng khắc phục cách đơn giản làm việc cần làm, khó khăn đầu cho thấy diện thành phần tín hiệu thấp liên quan tới electron mềm, positron photon Sự tồn thành phần biết đề cập chi tiết phần Tuy nhiên, phép phân tích đơn giản phần mang lại nhiều kết quan trọng khẳng định hiệu tốt thiết bị Đặc biệt, cung cấp chứng rõ ràng hạt muon phân rã với phụ thuộc thời gian dự kiến, bao gồm phần đóng góp nhỏ từ muon bị bắt hạt nhân nguyên tử Ôxi phân tử nước (hình 5, bên phải) Các tín hiệu electron thấy phần nhỏ VEM, dự đoán từ việc phân tích số liệu PAO với điều kiện thu nhận tín hiệu khác Phần lớn tín hiệu bị cắt ngưỡng cần thiết phải mức tín hiệu nhiễu Phân bố muon dựng lại tốt chương trình mô vùng tín hiệu cao Thêm vào đó, kiện muon mưa rào ghi nhận với tốc độ đếm 7,0 ± 0,5 Hz có thời gian suy giảm 1,13 ± 0,04 µs Sử dụng khái niệm hàm phân bố không liên kết (decoherence), từ kết suy bán kính mưa rào ~ 30 m cho bội số muon Tốc độ đếm kiện muon trùng phùng ngẫu nhiên ~ kHz Khó khăn thứ hai, thiên mặt kỹ thuật, liên quan đến việc sử dụng giá trị cắt ngưỡng tín hiệu cho tổng tín hiệu hệ việc sử dụng ngưỡng cắt Trong phần này, trình bày kết từ phép đo sử dụng hệ điện tử thay detector Cherenkov detector nhấp nháy nhìn hai ống nhân quang điện với hai cấu hình thí nghiệm khác 10 11 Ngoài việc để kiểm tra tính phù hợp phương pháp đo, detector nhấp nháy cho kết phép đo sơ tốc độ bắt muon hạt nhân nguyên tử carbon (1,2 ± 0,6 ) 10−2 µs−1, giá trị biết (1,67 ± 0,02) 10−2 µs−1 với chiều dài xạ nước Hàm Poisson sử dụng để mô tả phát hạt quang điện tử Sự phụ thuộc ánh sáng vào góc tới nghiên cứu phát nhỏ hai trường hợp phản xạ ngẫu nhiên khuếch tán Lambert, mô hình hóa hai tham số, chiều dài tắt dần hiệu suất khuếch tán /phản xạ Phần lặp lại phép phân tích phần với tham vọng mô tả hành xử thành phần electron muon với trợ giúp mô hình mô trình vật lý liên quan tác động detector Phân bố điện tích muon thu từ mô Monte Carlo detector sử dụng hàm Gauss cho phân bố động muon Thành phần mềm, mà vắng mặt phép đo trùng phùng ngẫu nhiên chất không đâm xuyên chúng, trở nên đặc biệt quan trọng phép đo hai ống nhân quang điện detector nhìn vào khối nước làm cho ảnh hưởng trùng phùng ngẫu nhiên trở nên không đáng kể với vấn đề quan tâm Chúng mô tả hàm mũ Tuy nhiên, lưu ý phân bố điện tích thành phần mềm electron sinh từ phân rã muon bị cắt ngưỡng cắt phát vùng đuôi nơi chúng có tín hiệu lớn Phân bố điện tích electron lấy từ chuyển động biết muon phân rã, nhiên làm nhòe đáng kể tính chất thống kê tương đối thấp số hạt quang điện tử phép đo Sự làm chậm muon khối nước trước hạt bị dừng phát ánh sáng Cherenkov mô xác hiệu suất ghi nhận mưa rào electron mô hình hóa cách sử dụng tham số dự đoán tương ứng - Các thành phần mềm đóng góp phần quan trọng vào vùng tín hiệu thấp (hình 9, bên phải) Tuy nhiên, cách để biết đóng góp khác thành phần mềm thực thành phần tương tự thành phần mềm Điều kiện trùng phùng hai ống nhân quang điện để chống nhiễu điện tử, đóng góp vào thành phần mềm vượt 10% Tuy nhiên, cần có lọt sáng nhỏ tạo tín hiệu tương tự thành phần mềm: điều kiện trùng phùng không ngăn cản tượng Lý chống lại lọt sáng không đổi tốc độ xung kích hoạt 12 13 Mô hình khớp tốt với số liệu (Hình 8), mô hình tương đối thô Các thông số sử dụng mô có giá trị sau: - Số lượng quang điện tử VEM, đo 13,0 ± 0,9 hạt, phù hợp tuyệt vời với kết thu từ bề rộng đường cong hiệu chuẩn - Giá trị điểm cuối phổ phân bố điện tích electron sinh từ phân rã muon 0,275 ± 0,018 VEM, phù hợp với giá trị thu từ số liệu PAO điều kiện ghi nhận khác (hình 9, trái) (trigger) điều kiện ánh sáng Chúng thu thập phần lớn số liệu vào ban đêm Nhưng ví dụ cho thấy điểm yếu xung kích hoạt (trigger) việc phân biệt tín hiệu thấp Khối nước lớn tương đương với hiệu suất ghi nhận cao Trong tốc độ kích hoạt việc so sánh với số liệu tương tự thu nhận PAO thành phần mềm ghi nhận không bị ô nhiễm nhiều nguồn không biết, để ý đến lập luận cố gắng không đưa giá trị cụ thể cho tốc độ đếm thành phần mềm Phép đo tốc độ đòi hỏi lắp đặt thí nghiệm khác, phù hợp thí nghiệm tại Hà Nội đóng góp vào việc hiểu rõ hoạt động trạm quan sát mặt đất Đài thiên văn Pierre Auger, thông tin bổ sung hữu ích cho số liệu Đài thiên văn Tóm lại, luận án đóng góp cho tiến vật lý thực nghiệm Việt Nam chất lượng nghiên cứu thực vùng lượng cao phổ tia vũ trụ cách sử dụng Đài thiên văn Auger Pierre Argentina - Thông số cho biết kích thước mưa rào, 36 ± cm, phù hợp tuyệt vời với giá trị chiều dài xạ nước - Động trung bình muon Emean = 4.0 +−00 43 GeV, phù hợp tuyệt vời với giá trị kỳ vọng Điều đặc biệt từ số liệu đo tìm giá trị xác cách gián tiếp - Các thông số mô tả suy giảm ánh sáng nước, ~ 20 m , hiệu suất phản xạ / khuếch tán thành detector ~ 0,85, phù hợp tốt với kỳ vọng Phần tóm tắt phát nhấn mạnh hệ detector, Việt Nam nay, công cụ nghiên cứu tia vũ trụ thiết bị quan trọng cho việc đào tạo sinh viên lĩnh vực vật lý hạt thực nghiệm vật lý hạt nhân Kết nghiên cứu bao gồm thông tin có giá trị liên quan đến mưa rào khí diện rộng 14 15 Hình Phổ phân bố điện tích đo (màu xanh) dự đoán (màu đỏ) với mức thời gian trễ ngưỡng cắt tín hiệu khác Mỗi hình gắn nhãn giá trị ngưỡng cắt T (theo đơn vị cắt ngưỡng) thời gian trễ D (theo µs) 16 17 Normalized counts Normalized counts Số liệu Mô hình 1/3 VEM Điện tích ( Số kênh ADC) T=0.5 t.u D=0.5µs Điện tích ( VEM) Hình Trái: Phân bố điệnt tích eletron Mũi tên đỏ 1/3 độ lớn giá trị VEM Phải: Các phân bố tương ứng thành phần mềm (đỏ), electron sinh từ phân rã muon (đen) muon vũ trụ (xanh) với thời gian trễ D = 0.5 µs ngưỡng cắt T = 0.5 đơn vị cắt ngưỡng Hình Phổ phân bố thời gian đo (màu xanh) dự đoán (màu đỏ) với thời gian trễ ngưỡng cắt tín hiệu khác Mỗi hình gắn nhãn giá trị ngưỡng cắt T (theo đơn vị cắt ngưỡng) thời gian trễ D (theo µs) 18 19 Các báo liên quan N.T.Thao et al, Cherenkov detection of cosmic rays in HaNoi: response to low signals, AIP Conf: Proc 1528, 16(2013); doi 10.1063/1.4803560 N.T.Thao et al, Response of water Cherenkov detectors to small signals: a case study, Comm Phys Vietnam, Volum 23, Num (2013) 20 [...]...Các bài báo liên quan 1 N.T.Thao et al, Cherenkov detection of cosmic rays in HaNoi: response to low signals, AIP Conf: Proc 1528, 16(2013); doi 10.1063/1.4803560 2 N.T.Thao et al, Response of water Cherenkov detectors to small signals: a case study, Comm Phys Vietnam, Volum 23, Num 3 (2013) 20