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MuBar/MuTeDetectores de rayos cósmicos aplicados a
estudios de muongrafía volcánica
Hernán AsoreyLabDPR-CABTeP
Seminarios de Partículas01/Junio/2015
02/06/15 Seminario Partículas 2/44
Volcanes, según wikipediaVolcanes, según wikipedia
• Fisuras de venteo
• Volcanes blindados
• Domos de lava
• Cripto-domos
• Conos volcánicos
• Estrato-volcanes
• Supervolcanes
• Submarinos, Subglaciales, volcanes de lodo
02/06/15 Seminario Partículas 3/44 Desarrollo dependiente de la composición del primario
p Fe
em hdmu
E=5x1014 eV
Primario
Secundarios
Lluvias Atmosféricas ExtendidasLluvias Atmosféricas Extendidas
p++Y A
Z→γ+e±
+μ±+π
±,0+K± ,0
+ p++ n+…
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Blindaje: 1 atmósfera=91 cm de plomoBlindaje: 1 atmósfera=91 cm de plomo
Nivel del MarNivel del Mar750 partículas/m750 partículas/m22 s s
BucaramangaBucaramanga1150 partículas/m1150 partículas/m22 s s
BogotáBogotá2900 partículas/m2900 partículas/m22 s s
PáramoPáramo3350 partículas/m3350 partículas/m22 s s
ChacaltayaChacaltaya7100 partículas/m7100 partículas/m22 s s
AviónAvión78000 partículas/m78000 partículas/m22 s s
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Simulaciones del flujoSimulaciones del flujo
● Magnetocosmics● Campo geomagnético → Rigidez local y direccional: Rc()
● GDAS (Global Data Assimilation system)● Perfiles atmosféricos locales (H.A. et al, ICRC 2013)
● CORSIKA (Cosmic Rays Simulation for Kascade)● Flujo completo de primarios
● 1H1 → 56Fe26
● 0° < < 90°, -180° < < 180°
● Z Rc(< E < 106 GeV
● → Distribución de secundarios al nivel del suelo
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Bariloche, Argentina, 850 m s.n.m.Bariloche, Argentina, 850 m s.n.m.
N/Ntot = 21%
Muón!p ~ 40 TeV/c
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Base Volcán Galeras, Colombia, 3450 m s.n.m.Base Volcán Galeras, Colombia, 3450 m s.n.m.
N/Ntot = 14%
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Muones: alta energíaMuones: alta energía
4000 m a.s.l. HE (E>800 GeV) secondaries simulated flux (1 m², 1 month)
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Stopping power (muones)Stopping power (muones)
Groom, 2001
Ec ~ 1 TeV (Berger aprox., dE/dXrad=dE/dXion)
1 cm
en
agua
↔ 1
g/c
m²
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Poder de penetración de muonesPoder de penetración de muones
HA-XB, 2014
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““Radiografía” de muones → “Muongrafía”Radiografía” de muones → “Muongrafía”
● Objeto con una distribución desconocida de densidades● Medir el flujo direccional de muones a través del objeto● Comparar el flujo direccional con un flujo de referencia
● → Opacidad direccional [g/cm²]● Geometría externa del Objeto
● → Longitud direccional de interacción [cm]● Opacidad direccional● Longitud direccional
● → Densidad a lo largo de dirección de propagación del muón
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Flujo direccionalFlujo direccional
● Tiempos típicos de integración, dependen del espesor y de la densidad: Semanas a meses (Lesparre, 2010)
● Estimación (HA-XB, 2014):
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Geometría externa de un volcánGeometría externa de un volcán
● HA, XB et al, 2014
● Datos (30x30)m
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Muongrafía de volcanes: Mt. Iwodake (Japón)Muongrafía de volcanes: Mt. Iwodake (Japón)
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Muongrafía de volcanesMuongrafía de volcanes
Tanaka et al., Geophys. Res. Let. 36, L01304, 2009
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ToMuVol → Puy de DômeToMuVol → Puy de Dôme
● Volcán inactivo (11000 años)
● Instalado en una caverna artificial → 60 m de concreto
● Distintas configuraciones geométricas de las cámaras ensayadas
C. Cârloganu et al., Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 2, 55–60, 2013
02/06/15 Seminario Partículas 18/44 A. Portal et al., Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 2, 47–54, 2013
Comparaciones con otros métodosComparaciones con otros métodos
● ERT (Electrical Resistivity Tomography)
● Mediciones gravimétricas● Muongrafía
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Vn. EtnaVn. Etna
Carbone et al, Geophys Jour Int, 196, 633-643 (2014)
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Disposición y profundidad de rocaDisposición y profundidad de roca
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Resolución esperada vs tiempo de observaciónResolución esperada vs tiempo de observación
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Perfil de densidades observado en 2010Perfil de densidades observado en 2010
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Vn Satsuma–IwojimaVn Satsuma–Iwojima
Tanaka, H. K. M. et al., Nat. Commun. 5:3381 (2014).
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““Time-lapse” del movimiento de lavaTime-lapse” del movimiento de lava
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MuTe/MuBarMuTe/MuBar
● Motivaciones “locales y recientes” para el estudio de volcanes
● Proyecto presentado en Colombia, Convocatoria Colciencias GEO 660/2014
● Aprobado (puntaje obtenido 98/100)● Instituciones participantes:
● UIS, UdeTol, SGC/Ingeominas, UdeNar, UNAM● Interesados:
● CAB/IB, CONIDA, USFQ
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Preliminary: our Muon Camera (under design)Preliminary: our Muon Camera (under design)
● 25 (4x1)cm plastic scintillator strips → 625 pixels XY plane
● Two XY planes at 2 m separation
● One water cherenkov detector in between to obtain a high energy electromagnetic veto
● Two planes of “Minos” like polyestyrene plastic scintillator● (PoP+PoPoP) organic scintillator
mixture● Claded and wavelength shifter
optical fiber attached to the strip● 2 x (64 Multi-anode PMT) (one
for each scintillator XY plane) ● Raspberry-Arduino based
atmospheric monitoring system● Electronic own design● Programmable and configurable
on board self trigger using FPGA● Low power automatic and
autonomous system
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MuTe (Muon Telescope)MuTe (Muon Telescope)
● Innovación:
● Incluir un absorvente activo → WCD
● 1.2m → ~ 5 XEM
● Medición independiente del flujo local de partículas
● Técnicas aprendidas en AUGER y LAGO
● Modificación:
● Mover el WCD detrás de los dos planos
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Mediciones locales de variables atmosféricasMediciones locales de variables atmosféricas
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Bandas de energía depositada → RegímenesBandas de energía depositada → Regímenes
Muones
MCV
EM
Partículas simultáneas
A3=151 ACDq
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Identificación automática de bandasIdentificación automática de bandas
H. A. et al for the LAGO Collaboration, Adv. Spc. Res, enviado (2015)
02/06/15 Seminario Partículas 34/44
Actividad SolarActividad Solar7 Marzo 2012: X5.4 Flare + Halo CME/iCME7 Marzo 2012: X5.4 Flare + Halo CME/iCME
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Programa de meteorología espacial LAGOPrograma de meteorología espacial LAGO
H.A. for the LAGO Collaboration, ICRC2013
H.A. et al for the LAGO Collaboration, ICRC2015 (charla)
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PSD (“PSD (“Pulse shape discriminationPulse shape discrimination” en el WCD)” en el WCD)
● Dos pulsos consecutivos: ingreso del muón, aparición del electrón
50 50 5061 49 54139 49 60291 51 45459 50 23660 50 15153 50 8753 50 6150 50 5751 51 5750 50 5251 49 5151 50 5050 49 5151 50 5250 50 51# t 4 30008562# c 663486982
50 50 5061 49 54139 49 60291 51 45459 50 23660 50 15153 50 8753 50 6150 50 5751 51 5750 50 5251 49 5151 50 5050 49 5151 50 5250 50 51# t 4 30008562# c 663486982
50 50 5049 51 5162 50 10653 50 11751 51 6250 50 5550 50 5153 51 5151 50 5149 49 5251 50 5151 49 5151 50 5250 49 5050 51 5052 50 51# t 4 30008646# c 663486983
50 50 5049 51 5162 50 10653 50 11751 51 6250 50 5550 50 5153 51 5151 50 5149 49 5251 50 5151 49 5151 50 5250 49 5050 51 5052 50 51# t 4 30008646# c 663486983
μ-→νμ ν̄ee
-
Δ t=84×25 ns=2100 nsΔ p=1
μ eμ
e
02/06/15 Seminario Partículas 38/44
EstrategiaEstrategia
● Construcción de prototipo (MuBar) en LabDPR (en progreso)● Simulación del flujo de fondo (hecho)● Simulación detallada del flujo de muones:
● 1 semana, E>100 GeV (listo)● 1 semana, E>10 GeV (en progreso)
● Datos de altimetría (30x30)m ● Análisis sobre datos NASA (listo)● Interpolación local a (10x10)m (listo)
● Cálculo penetración muones (analítico, listo)● Simulación G4 detector (WCD listo (LAGO), MuBar, a iniciar
(ASCII?))● Simulación G4 Volcán (comenzando)
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Flujo esperado Vn. Etna (simulado)Flujo esperado Vn. Etna (simulado)
● HA-XB, 2014
02/06/15 Seminario Partículas 40/44
Energía mínima (hasta 100 GeV)Energía mínima (hasta 100 GeV)
● HA-XB, 2014