TÊN ĐỂ TÀINGHIÊN CỨU XÂY DỤNG THIẼT BỊ ĐO LƯỜNG TIA VŨ TRỤ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN TÊN ĐỂ TÀI NGHIÊN CỨU XÂY DỤNG THIẼT BỊ ĐO LƯỜNG TIA VŨ TRỤ Mà SỐ : QT-09-11 CH Ú TRÌ ĐÊ TÀI : C Á C t AIV B THAM ThS N G lT E N ANH ĐỨC GIA: TS NCỈUYẺN M Ậ l’ CHUNG ĐA I n p i tJU O C G lA HA N O ' TRUNG T Á r ' H ỘN G p ĩỊ m HÀ NỘI - 2009 I ằ tin thư v iệ n - Báo cáo tóm tát (tiếng Việt) a Tén đẻ tài, mã sỗ Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường tia vũ trụ M ãsõ: QT-09-11 ThS Nguyễn Anh Đức, Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN b Chủ trì đề tài: c Các cán tham gia: TS Nguyễn Mậu Chung, Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN d Mục tiêu nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết tia vũ trụ mưa rào diện rộng Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường tia vũ trụ từ linh kiện rời rạc e Các kết dạt - Kết khoa học: Nghiên cứu mưa rào diện rộng tia vũ trụ - Sản phẩm khoa học: + 01 báo: “Setup HiSPARC Cosmic Ray Detector Station in Ha Noi”, Nguyen Mau Chung, Nguyen Anh Due, Giang Kien Trung, Nguyen Thi Xuan, Communications in Phyisics To be published + 01 thiết bị đo lường tia vũ trụ - Kết đào tạo: + 01 luận văn cử nhân + 01 luận văn thạc sỹ f Tình hình kinh phí đề tài Chi phí hèì kinh phí lạm ứna đề tài là: - Th khốn chun mơn Hội nghị - Chi phí nghiẹp vụ chun mơn nhành - Vật tư vãn phịng - Điện, nước sờ vật chất Quán Iv phí 0 0 0 V N Đ 15.000.000VNĐ 4.500 00V \Đ 2.000.000VNĐ 1.500.000VNĐ 1.000.000VNĐ 1.000.000VNĐ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỤ NHIÊN Summary (by English) a Project, code R esearch and Fabricate Device m easuring cosm ic rays Code : QT-09-11 b Main responsible person MS Nguyen Anh Due, Faculty of Physics, Hanoi University of Science (HUS), Hanoi National University c Incorporated members Dr Nguyen Mau Chung, Faculty of Physics, Hanoi University of Science d Purposes and contents - To study cosmic rays and air showers - Research and fabricate device measuring cosmic rays from separate components e Results ■ 01 Bachelor thesis ■ 01 Master thesis ■ 01 Science article ■ 01 Device measuring cosmic rays M ỤC LỤC Lời mở đ ầ u Tia vũ trụ .7 1.1 Nguồn gốc thành phần tia vũ trụ sơ cấp 1.2 Mưa rào khí quyên diện rộng 1.3.1 Hạt irong mưa rào diện rộng 1.3.2 Sự phát triên mưa rào diện rộng .10 1.3.3 Hạt sơ cấp mưa r o 11 Lắp đặt detector 12 2.1 Detector HISPARC 12 2.2 Quá trình lắp đ ặ t .l í Thiết bị đo lường tia vũ trụ .19 3.1 Hê thu thập sô liệu (DA Q ) 19 3.1.1 Hộp HISPARC 19 3.1.2 Ảng ten GPS 20 3.2 Phương pháp đ o 20 3.2.1 Phương pháp đo 20 3.2.2 Nguyên tác đ o 3.3 Phân m ề m 22 3.3.1 Phần mềm HISPARC II LABVIEW 22 3.3.2 Bang điều khiến Angten GPS 24 Kết 25 Kết luận .26 Tài liệu tham k h o 28 scientific project 29 Phiếu đăng ky kết nghiên cứu KH-CN 30 BẢ N G C H Ừ V IẾ T T Ắ T N IK H E F National Institute for Subatomic Physics H ISP A R C High School Project on Astro-Physics Research with CoMTncs SSF Scintillator Signal Follower GPS Global Positioning System PM T PhotoMultiplier Tube LỜI M Ở ĐẨ U Tia vũ trụ tên chung loại hạt khác đến từ nguồn bẽn Trái đất Mặt trời, thiên hà siêu thiên hà, biến đổi nãng lượng giải lớn Các tia vũ trụ có nãng lượng cao, thơng lượng tia vũ trụ đến trái đất thấp Khi vào bầu khí Trái đất chúng va chạm với phân tử khí tạo thành mưa rào diện rộng hạt ban (điện từ hardron) T hành phần tia vũ trụ sơ cấp bao gồm proton (-8 % ) hạt alpha (11%) hạt nhân nặng (1 %), electron (-2 % ) neutrino (< [% ) Cường độ tia vũ trụ sơ cấp có nãng lượng cao > 10l4eV thấp (một kiện lk r r r thê ký) nên thơng tin tia vũ trụ có lượng siêu cao Hiện có nhiều dự án nghiên cứu tia vũ trụ có tầm cỡ quốc tế như: Pierre Auger Ư Argentina, m ột dự án với kinh phí lớn, tập trung nhiều nhà khoa học với mục đích nghiên cứu tia vũ trụ lượng siêu cao Ngoài có số dự án tận dụng sở hạ tầng trường học, viện nghiên cứu đế nghiên cứu tia vũ trụ kết hợp với mục đích giáo dục như: ALTA Edmonton CH ICO S California M A R IA C H I Trong khn khổ hợp tác nhóm vật lý nãng lượng cao G PH E cùa khoa Vật lý viện Hạt nhân N àng lượng cao N IK H E F Hà Lan cụ chương trình hợp tác thuộc dự án Hisparc chương trình nghiên cứu tia vũ trụ bâng cách đo mưa rào diện rông thông qua trạm sử dụng detector nhấp nháy đặt trường học đất nước Hà Lan nhóm G PH E phía bạn tặng thiết bị đo lường tia vũ trụ thiết bị tặng chí dạng linh kiện rời rạc với tông giá trị 5.000 € Mục đích cùa đề tài tổ chức nghiên cứu tìm hiếu loại tia vũ trụ chung vào k hí quyển, hình thành mưa rào diện rộng xâ> dựng thiết bị đo lường tia vũ trụ từ sổ linh kiện phía bạn tài trợ nhàm mục đích tăng cường thiết bị nghiên cứu phục vụ còng tác đào tạo nghiên cứu khoa hoc cua nhóm G PH E cùa khoa Vật lý N Ộ I DƯNG C H ÍN H TIA VŨ TR Ụ 1.1 Nguồn gốc thành phán tia vũ trụ sơ cấp Hầu hết tia vũ trụ bắt nguồn từ Mạt trời, thiên hà siêu thiên hà Bức xạ từ Mặt trời bao gồm proton, electron vài hạt nhân He với động bội số keV Bức xạ chi đủ mạnh để ion hóa oxi nitơ Ví dụ, tượng cực quang kết hiệu ứng ion hóa tầng khí quyến Các hạt tích điện đến từ mặt trời có nâng lượng khơng q cao Chúng khơng thể bát đầu trải qua tương tác hạt nhân va chạm với phân tử khí Hơn nữa, tia nâng lượng thấp bị lệch nhiều từ trường cúa Trái đất, chúng chi đến Trái đất cực gây tượng cực quang Chúng ta nghiên cứu thuật ngữ “tia vũ trụ” thay cho hạt photon ng trải qua gáy tương tác hạt nhân trình va chạm Nhìn chung, động tia vũ trụ lớn nhiều so với nãng lượng nghi cua hạt Khi khối lượng nghi hạt nhỏ nửa khối lượng tồn phần cùa nó, ta gọi hạt tương đơi tính, có tốc độ gần tốc độ ánh sáng Với photon khác photon hạt khơng có khối lượng nghi, có thê nói tia vũ trụ nâng lượng photon đủ lớn đế sinh hạt tương tác vơi vật chất Các q trình Mạt trời khơng có tạo hạt lượng cao Vậy nguồn gốc ciia tia vũ trụ lượng cao từ bẽn ngồi hệ Mặt trời Nó đặt cho ch ún g ta m ột câu hòi ban tia vũ trụ: Cơ chê có khả nãng tạo tia vũ trụ nãng krợng cao m quan sat đâu tìm thấv chê đó? Các tia vũ trụ nãng lượng lớn 1015eV co nguồn gốc từ thiên hà cho tạo từ vụ nổ Hầu hết lượng giải phóng dạng phat neutrino, xạ g a m m a hạt tích điện nãng lượng cao Tốc độ nõ thông lượng cưa hạt nãng lượng cao gíẫi phóng liên quan mật thiết với thơng lượng tia vũ trụ đo trẽn trái đất Trên nãng lượng dường khơng có chế mạnh đú đê tạo tia lượng cao ta quan sát Kết ch ún g ta m on g đợi điểm phò lượng cứa tia vũ trụ trẽn 1016eV Tia vũ trụ nâng lượng xuất so vưi tia vũ trụ cỏ mức lượng m ta q uan sát Để quan sát kiện lạ mức nâng lượng cao 5*1019eV hạt ta quan sát không truyền qua khoảng cách lớn Tại lượng 5*1019eV hạt bị nãng lượng chúng tương tác với phông xạ điện từ 2.7K lấp đầy vũ trụ Những photon lượng thấp xuất photon lượng cao qua dịch chuyển Doppler Giới hạn lượng biết điểm cắt GZK Dải lượng >1016eV phần phổ lượng tia vũ trụ nghiên cứu tranh luận Phổ lượng tia vũ trụ chi hình sau: V 10' Fluxea of Cosmic RcyS * 10«i- ( PCrticIe ữ c r m *—s e c o n d ) K n ee (I c > o r~ tic lc p e r m ’ y e a r) V \ 10— (1 10' c p * r k m * -y M r) —J c t * c a g c ) I —I I L io '° _ ml! I _ (fl ti p a r t 'c I 11 umiii i 111*1— í I i iJ il — L t m ill— 1Z 1J I0M l o ’* I 111*1 1S 10 I I lili 10 s ■a m i o ’5 IQSS I d * (e v ) Hình 1.1: P h ố lượng (lia tia vũ trụ Phổ lượng lổng hợp từ kết cùa nhiều thí nghiệm tiến hành suốt nửa sau thê kỷ 20 Theo hạt có lượng giải lOGeV đến 106GeV thông lượng giảm theo hàm mũ lượng (E-2.7) Với tia vũ trụ có lượng lớn 106GeV thông lượng thẵp chi khoảng lhạt trẽn lm2 năm ti lệ với E-3.1 Năng lượng cao tia vũ trụ quan sát X 020eV s m ta 1.2 Mưa rào khí q u y ển diện rộng Tia vũ trụ lượng cao vào bầu khí Trái đất tạo mưa rào diện rộng hạt tích điện hạt trung hoà trải rộng mặt đất Mức độ m rộng mưa phụ thuộc vào lượng hạt sơ cấp, mưa rào diện rộng có thê trải rộng theo đường kính lk m tới mật đất gồm hàng ti hạt Trong phần nàv cho m ột ng uyên tắc chung trình xuất mưa rào diện rộng đặc điểm m ưa rào diện rộng phù hợp với thực nghiệm 1.3.1 H ạt tro n g m ưa rào diện rộng Sau tương tác đáu tiên hạt sơ cấp số hạt mưa rào diện rộng tăng lên tương tác hadronic Đ ó tương tác m ạnh tương tác hạt meson tạo thành M eson hạt tạo nên liên kết cập quark phản quark Các hạt meson phân rã tạo thành meson nhẹ photon muon chí sau phần nhó giây Meson nhẹ nhất, õ meson, phân rã tạo thành (phản)m uon với (phản) neutrino m uon photon /-1 => e M => e 71 = > ụ- + V., Cá m eson f t m eson /L + V + + v„ + v c phân rà vòng 2.6*10 S Meson f t phân rã nhanh chí 8.3*10 s tạo thành hai photon M uon sinh lại tiếp tục phân rã tạo (phản)electron Cả muon phán muon có thời gian phân rã trung bình + 2.2#s, lâu 100 lần so với meson meson chúng xem tương đối bền so với meson Trong mưa rào diện rộng meson tạo muon Quá trình meson phân rã thành photon trình đánh dâu bắt đầu thành phần điện từ cua mưa rào diện rộng Nhung photon lượng cao tương tác với hạt tích điện có khả nãng tạo m ột cập electron positron trình tạo cặp Khoi lượng điện tích hạt lớn nãng tương tác với photon lớn Hạt nhân ví dụ rõ ràng cho phán ứng tạo cặp A(z) + ã => £ + e + A(z) Các electron positron lượng cao lại phát photon chúng bị lệch điện trường hạt nhân Các photon phát gọi xạ hãm Với lượng vừa đủ, photon lại tham gia phản ứng tạo cặp Chuỗi tương tác điện từ dừng lại phôtôn lượng thấp (< lM e V ) khơng cịn đủ khả tièp tục tham gia trình tạo cặp Cuối hạt positron iham gia phản ứng hủy với vật chất phát photon Cặp sản phẩm electron positron thành phần lớn m ưa rào diện rộng Các electron nhẹ meson muon bới chi cẩn lượng nhỏ đủ đế tạo electron Kết thu cho thấy sô electron nhiều m u on mưa rào diện rộng Bức xạ sinh hủy thành phần tiêu biểu cho photon mưa rào diện rộng T hành phần cụ thê mưa rào diện rộng phát thực nghiệm 1.3.2 S ự p h t triển củ a m ưa rào diện rộng Chuỗi phán ứng tương tác nguyên nhân đế mưa rào diện rộng mơ rộng kích thước tâng cường độ Nãng lượng hạt sơ cấp phân bô nhánh hạt thứ cấp Kết lượng trung bình hạt giám xác suất để tạo hạt tuơng tác Các hạt tiêu hao lượng chúng qua bấu khí quyến hấu hết chúng biến trước xuống tới mặt đất Do đó, cuối sơ lượng hạt mưa rào diện rộng giảm Kết quan sát cho thấy tồn độ cao m sơ hạt mưa rào diện rộng lớn nhái Với tia vũ trụ lượng cao độ cao nảy thấp cịn phụ thuộc vảo loại tia vũ trụ sơ cấp Tuy nhiên, phụ thuộc yếu số lượng hạt sinh hàm mũ khơi lượng khí truyền qua khối lượng khí đơn vị tích tãng theo hàm luỹ thừa độ sâu khí tăng Thường độ cao vào khoang 10km Đường biên m rộng mưa rào biểu diễn hình 1.2 10 13.2 Bảng điêu k h iển A n g te n G P S f e j P S P G P S T im in g M o n ito r C o n tro l SetHI M o n ito r V ie w H e lp - T i n e :0 T im e UTC D a te Feb 13 0 T W eek 1466 UTC Offset [ TO W 14 316971 seconds - P o i f o n [D e c im a l D e g re e s } Latitude f 355284 degiees Longitude I 950058 degrees S ta tu r ^ Antenna Open • A n ỉ e m a S h o rt • Satellite T lacking • Self Survey Active Stored Position ^ Leap Second Pending & Test Mode [ 55 GO meters PPS Generated 100% Level 158 i 11 rĩ7.r 224 n Tem peiatue |deg C] I K O Almanac R c v i M ode I (7] O veide t C lock (Trne) GPS Status I ■ ■ G PS S ta tu r s elf-S u vey Progress sv % Position Questionable • A ltitu d e Signal Levels I 13 ũ [ 154 ũũ ũ o ũ 0 ũ 0 0 Log Status [0] D oing Fixes T S IP Data Tx • R x • o Cũ M 9600 8-0-1 Hình 3.4: Bảng điều khiển Angten GPS Nếu phần cứng H isparc sử dụng thời gian đầu máy Ihu GPS cân định dạng lại Quá trình miêu tá phụ mục GPS Sau thiết bị Master dược bật on, máy thu GPS c ần m ột thời gian đẽ vệ tinh nhân tạo có vết tính thời gian UTC Bạn kết nối trạm m y thu GPS thiết bị Master tới PC để quan sát trạng thái trình b ằ n g p h ầ n m ề m DSP\GPS Timing Monitor (h ìn h 3.4) Đế bát đầu ch n g trình, chạy G PS\D SPM on.exe thư mục cài đặt Sau cài đặt phần mềm Labvievv cần link Start M enu Dao diện chương trình cần số cùa trạm máy thu GPS COM Bạn thay đổi sơ cách kích chuột phai vào nút tháp góc bên phải W in d o w ( C O M 9600 - - hình 3.4) Chương trình L a b view chí thu nhận thõng tin GPS nêu + Tất Status m u xanh + Thời gian U T C + Rcvr M o d e G PS Status (7) Overdet Clock(Time) + Số vệ tinh(SV ) toi thiêu Signal Levels màu xanh (hay nhiêu lơn tiến hành) 24 Để ch ắ n lần kiểm tra bạn khởi động lại thiết bị Master trước bạn bắt đầu chương trình Labview để giữ số liệu Thông tin GPS không cần đối vói thủ tục đặt, bạn khơng phải kiểm tra điểu trước bắt đầu trình đặt KẾT QUẢ Nếu m ột kiện biểu diên Events/Settings Expert Settings, giá trị vài đại lượng quan trọng tính cho kênh chương trình Hisparc cộng vào đồ thị bảng statistic (hình 3.5) Các đại lượng Num ber of Peaks (số đỉnh) Pulse Height (chiều cao cua xung) Integral (tích phân) tín hiệu ghi H istogram nu m ber o f peaks (đổ thị số đỉnh) đếm sơ đinh tín hiệu ghi Chỉ đỉnh lơn 60 ADC (#35mV) cho vào tài khốn, chiều cao khác điểm cao điểm thấp đinh Pulse Height (chiéu cao) xung lớ n n h ất (h o ặ c n h ó nhất) cu a tín h iệu tồn b ộ thời gia n gh i G iá trị tính tương đơi tới ranh giới, điều xác định việc lấy trung bình điểm liệu đầu tiên, PMT Đồ thị thứ ba biéu diễn toàn giá trị tín hiệu thu Tồn giá trị tổng đinh cua tín hiệu tương đối tới đường ranh giới, đối VỚI điêm ỡ đinh m rộng A DC (#2mV) Tất đồ thị có m ột giá trị lớn Đường giới hạn bieu diễn báng Statistic đói với kiện Giá trị nên 200 A D C counts sau thủ tục calibration Nếu tín hiệu thay đối nhiều điểm liệu đầu tiên, chương trình khơng thể tính đường giới hạn Trong trường hợp thử lai điểm cuối cúa tín hiệu ghi Nếu không làm điều giá tri cho đồ thị khơng thể tính chương trình cho lỗi đường giới hạn(-999) Số lỗi kênh biếu diễn bên phải đường giới hạn Trên bảng Statistic hạn có thê xem cùa ngưỡng Đ ó sô lần tin hiệu tương tự lôi vào vượt t]uá ngưỡng Trong cột bên trai tren moi kenh moi so last second biểu diễn Nếu nút Start Counting dược đặt chương trình đếm mỏi bén cho chiều dài chu kỳ thời gian Ớ cột giữa, bạn có thê xem tong sỏ cua mỏi chu kỳ trung b ình/sccond trons cột bcn phai Bạn co the đạt thơi gian lơn nhat đe đ m với Time to count điều khiển, đêm dừng lại việc đặt trước nút Counting Ễ3p*'t 5s«Pifli HUDfmnirỂr doasií I » C c -« HStSQ'S':;! HCysr ieự!lí HOO 13M-I 1200­ 1100looq-Ị 9M- 25CO sabo 7500 loo 1500 Irctợãl (OCC courts: ■ftĐn >':0: £«5 I v in n i, C ! bTiraaai [ ‘■ I I x c s E n is e s " ! DfiQrtXf Ị BESET~ j DEVICE SLAVE j« l Ifí >301 csu*ts acm d fú l4 A vm gB p«ia pci pai'ticlc tljc Hux (Iccruiusu as a p ouvr law X E 2V Till' p o w e r law ƠÍ t h e flux of p a r tic le s w ith c n crg irs fioih 10n G eV to 101" GoV {(1110 pW rtHr p er S (|un rr m r t r r por jftgir) liavo s o m e w h a t s r r r p r r slojH' oc E I Ilf’ most i n t n r r s U i i if> on o f t l i p s p o c t r i i n i s f li p li ig li c n e r s v Olid w i t h r n n r s i ^ s m o i ' u h a n 10'1 cV \Yc QN'pp n t i\ s t e p d e c r e a s e p ro u iu l X 1o 1** kn ow n as tlie CK7 limit at winch the high n it’igy n u i l r o n s call s c a t t c r m elas tica lly from cosmic m icr ow aio !);,rkgroiind [2] Till' or igin of t h e v a r i o u s species of very high en erg y cosmic pa rticle has only been partially c t a b l i s l m l L o w e n e r g y p a r t i c l r s ill j h c solar wind ob viously 1”,1 ]1afctl Ironi th e o u te r s la y e rs o f t h e SUI1 H ig h e r e n e r g y c o s in ic s r a v u p til Iifliu 10' eV have their origin ill o u r galax y .Most of t h e m a r c t h o u g h t to be p ro d u c e d ill s u p e r n o v a The sourcc for the inosl c n c r g c t i c co s m ic r a v is not known w ith an y certain!V Tlieip\ Ills with energies Host G K Z c u t o i l o b s e r v e d oil i h e e a r t h coucl be (hie t o t h e p a r t i d w t h a t come t o n the d isun ite g alax y for p a r t i c l c w i t h t h e ver y highest, energy, ab ov e G K Z cutoff, th e suuric call Mot b e VC1V far a w a y o n a cosm ic st ale Tlio l»-st stratojvv t o o b s r r v r r o s m i r ray is u sin g t h e a t m o s p h e r e ;us not nulv a tarS G r o u p c