Detector Híbrido Para La Medición De Propiedades De Los Rayos Cósmicos.

1. Detector Híbrido Para La Medición De Propiedades De Los Rayos Cósmicos. ERICK H. PASAYE, Noe Chavez, Carlos Vargas y Luis Manuel Villaseñor

2. ABSTRACT • We report on the detection of isolated electromagnetic particles, isolated muons, extended air showers, isolated pions and isolated kaons in the secondary cosmic-ray radiation by using a hybrid detector designed and built by the authors. The detector consists of a container filled with liquid scintillator that produces scintillation light when crossed by charged particles; this container is located atop a water tank that produces Cherenkov light when crossed by charged particles. Both container have one phototube each in their interiors to detect the light produced. The electronics used consists of NIM modules, two digital oscilloscopes and one PC. This equipment is multipurpose and can be conventionally found in any modern physics laboratory. We present the statistical analysis of the data taken with this experimental array to obtain measurements for the muon, pion and kaon lifetimes. Likewise we describe the measurement of the rate of occurrence of cosmic ray showers with energies around 1012-1013 eV. The results obtained for the muon, pion and kaon lifetimes are the following: tm =2.120 0.02 ms, tp =24.63 3 ns y tK = 12.52 2 ns in good agreement with the literature.

3. RESUMEN • Se describe la detección de partículas electromagnéticasaisladas,muonesaislados, cascadas atmosféricas extendidas, piones aislados y kaones aislados en la radiación cósmica secundaria mediante un detector híbrido diseñado y construido por los autores. El detector consiste de un recipiente lleno de líquido centellador que produce luz de fluorescencia al ser atravesado por partículas cargadas; este recipiente está situado sobre un tanque de agua que produce luz Cherenkov al ser atravesados por partículas cargadas. Ambos detectores tienen en su interior fototubos para detectar la luz producida. La electrónica que se usa consiste en móduloscomerciales tipo NIM, un par de osciloscopios digitales y una PC. El equipo utilizado es de usos múltiples y existe convencionalmente en los laboratorios de física moderna. Se presenta el análisis estadístico de los datos obtenidos con este equipo para extraer mediciones de la vida media de muones, piones y kaones. Asimismo se describe la medición de la frecuencia de ocurrencia de cascadas de rayos cósmicos de energías alrededor de 1012-1013 eV. Los resultados obtenidos para las mediciones de las vidas medias de muones, piones y kaones son los siguientes: tm =2.120 0.02 ms, tp =24.63 3 ns y tK = 12.52 2 ns en acuerdo con los valores reportados en la literatura.

4. INTRODUCCION Los rayos cósmicos primarios se componen de 85% de protones, 12% de partículas alfa, 2% de electrones y 1% de núcleos más pesados. Las partículas de más bajas energías provienen del sol y de otras estrellas cercanas. Algunas más energéticas pueden provenir del centro de la galaxia, de explosiones de estrellas o de otros efectos violentos en la galaxia. Es muy probable que las de mayor energía sean producidas en cataclismos astrofísicos de origen extragaláctico. La cantidad de partículas primarias que llegan a la tierra por segundo disminuye rápidamente a medida que aumenta su energía. Desde flujos de centenas de partículas por metro cuadrado por segundo para energías de 1 GeV hasta flujos de una partícula por kilómetro cuadrado por siglo para las energías de 1020 eV. Las colisiones inelásticas de los rayos cósmicos primarios con los núcleos de la atmósfera producen cascadas de partículas. Las partículas creadas de las colisiones son predominantemente piones neutros y cargados y una fracción más pequeña de kaones, protones, neutrones y otras partículas más pesadas; los piones se llevan de un tercio a un medio de la energía de la partícula incidente en cada colisión. Choques sucesivos de la partícula incidente producen a su vez más partículas secundarias en un proceso multiplicativo que origina las cascadas atmosféricas extendidas. A su vez, los piones

5. neutros, , producidos a razón de 1:2 con respecto a los piones cargados,  y , se desintegran en un tiempo muy corto, del orden de 10-16 s, en pares de fotones los cuales a su vez producen, a través del fenómeno conocido como creación de pares, electrones y positrones de alta energía que dan lugar a más fotones mediante radiación de frenado, también conocida por su nombre en alemán de bremsstrahlung; este mecanismo origina la componente electromagnética de las cascadas. Por otro lado, los piones cargados de las capas altamente enrarecidas de la atmósfera se desintegran en muones y neutrinos en tiempos cortos del orden de 26 ns. También los kaones se desintegran en muones y neutrinos un 67% de las veces con tiempos de vida media de 12 ns. • Los muones son similares a los electrones excepto que son 210 veces más pesadas y que sólo viven en promedio 2.19 microsegundos medidos en un sistema de referencia en elcual están en reposo; los muones se desintegran en un electrón y dos neutrinos. Los muones son muy interesantes ya que se producen en la cima de la atmósfera a decenas de kilómetros de altura y a pesar de tener una vida tan corta alcanzan a llegar al suelo.

6. AREGLO EXPERIMENTAL • El arreglo experimental se ilustra en la figura 2. Este equipo se encuentra en el Laboratorio de Rayos Cósmicos del Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo a una altitud de 1920 m sobre el nivel del mar. • El detector híbrido consta de dos detectores: un recipiente de aluminio con un espesor de 2 mm, una altura de 36 cm y un diámetro de 26 cm que contiene en su interior aproximadamente 34 litros de liquido centellador. Este líquido es un aceite mineral centellador marca Bicron BC-517H, está constituido esencialmente por átomos de carbono e hidrogeno con una razón de 1.9 átomos de hidrogeno por cada átomo de carbono. En la parte superior interior del recipiente se colocó un fotomultipicador (PMT) de 2” marca Burle modelo 857525 en forma vertical. Con el propósito de evitar la entrada de luz exterior al interior del recipiente se diseño un sellado especial mediante hule de goma entre la tapa y el recipiente. La tapa se prensa al resto del recipiente mediante tensores a base de tornillos. El PMT de 2” tiene dos cables coaxiales, uno RG 59/Upara su alimentación con alto voltaje mediante conectores tipo SHV y otro tipo RG-58C/U para la salida de la señal. El líquido centellador posee la propiedad conocida como luminiscencia que consiste en la emisión de luz visible y ultravioleta

7. cuando el material absorbe energía en forma de luz, calor o radiación. El material ideal para centelleo debe poseer las siguientes propiedades: • 1) Convertir la energía cinética de las partículas cargadas en luz detectable con una alta eficiencia de centelleo. • 2) Realizar esta conversión en forma lineal: la luz producida debe ser proporcional a la energía depositada. • 3) Debe ser transparente a la longitud de onda de su emisión para una buena captación de luz. • 4) El tiempo de decaimiento de la luminiscencia inducida debe ser pequeño y con una señal de pulso rápido. • Por los tiempos de vida media tan cortos de 12 ns y 26 ns para el kaón y el pión respectivamente que medimos se requiere usar líquido con un tiempo de respuesta muy rápido aunque no sea tan eficiente, ya que su deficiencia de emisión se corrige con un PMT de alta ganancia y alta eficiencia. 5) El material debe ser de una buena calidad óptica. Su índice de refracción debe estar cercano al del vidrio del PMT para permitir un acoplamiento eficiente de la luz de centelleo al PMT. El segundo detector es más grande, consiste de un tanque comercial de polietileno con un diámetro de 156 cm en su base interna y una altura de 120 cm, con una capacidad de 2500 litros. Con el propósito de dotar el interior de reflexión difusa de la luz se colocó una bolsa fabricada de un material llamado tyvek.  

8. En el interior de la bolsa se puso un volumen de agua purificada hasta una altura de 120 cm. En la parte superior y en contacto con el agua se instaló un fotomultiplicador (PMT) de 8” soportado por la tapa de tanque para detectar la luz Cherenkov producida por las partículas cargadas que atraviesan el volumen de agua con una velocidad mayor que 200 000 Km/s correspondiente a la velocidad de la luz en el agua. El PMT usado es marca ETL modelo 9354. En la tapa del tanque se hizo un orifico por el que pasan los 2 cables coaxiales RG 59/U para salida de la señal del PMT y RG 58C/U para la alimentación de alto voltaje. Para evitar la entrada de luz al interior del tanque y evitar este tipo de ruido, el tanque se envolvió completamente con una bolsa de hule negra. Finalmente, se hicieron extensivas pruebaspara verificar que los interiores de los dos detectores estaban completamente libres de fugas de luz. • La Radiación Cherenkov es la luz emitida por un medio transparente cuando partículas cargadas lo cruzan a una velocidad mayor a la de la luz en ese medio. El efecto, descubierto por Cherenkov en 1934, es análogo a la creación de una onda de choque sónica en un medio cuando un objeto excede la velocidad del sonido en ese medio. Este efecto en el agua se ve como una luz de color azul. El sistema de adquisición de datos se ilustra en la figura 2. La electrónica utilizada consiste en módulos del estándar tipo NIM (Nuclear Instrumentation Modules): un módulo para discriminar las señales de los PMTs (marca LeCroy modelo 821) a un umbral de 30 mV, un módulo generador de ventana (LeCroy modelo 222), un módulo de coincidencia de los pulsos lógicos NIM (LeCroy modelo

9. 622) y un módulo con dos canales para contar números de pulsos. La digitalización de las señales de los 2 PMTs del detector se llevó a cabo con dos osciloscopios digitales (Tektronix modelo TDS 220) de 2 canales cada uno. Los osciloscopios se controlaron con una PC (Marca Dell con Pentium III de 450 MHz, 64 RAM y 10 GB Disco Duro) conectada alos dos osciloscopios a través de un puerto tipo GPIB. La alimentación del alto voltaje se hizo mediante dos fuentes de poder, una marca Ortec, modelo 556 operada a -1700 V para el PMT del detector de centelleo y una marca Stanford Research Systems modelo PS325 operada a 1590 para el PMT del detector de luz Cherenkov. La figura 3 es una fotografía del sistema de adquisición de datos en la que se aprecia la electrónica y la computadora en operación. El programa de adquisición de datos se escribió en el lenguaje gráfico llamado LabView que permite crear programas de adquisición con bastantes capacidades gráficas en forma rápida. La figura 4 es una imagen de este programa copiada de la pantalla de la PC; en ella aparece un evento del programa específico para medir la vida media de desintegración de piones y kaones. En la parte superior aparecen los dos pulsos de PMT del detector de centelleo, en la parte de en medio aparecen los mismos dos pulsos pero ahora de tipo NIM tomados de la salida del discriminador a un umbral de 30 mV. En la parte inferior se ven los pulsos tipo NIM del detector de Cherenkov para el caso de muones que atravesaron el detector de centelleo y llegaron al detector de Cherenkov.

10. RESULTADOSDETECCION DE CASCADA • Los pulsos de luz producidos por el líquido centellador y en el agua son convertidos en pulsos eléctricos y amplificados por los respectivos PMTs. En la figura 5 se muestra la carga de los pulsos del PMT del tanque de agua como función de la amplitud para eventos en los que hay actividad en el detector Cherenkov. En este caso la carga de los pulsos se obtiene integrando en línea la traza de voltaje como función del tiempo tomada directamente del osciloscopio y dividiendo entre 50 Ohms para obtener la corriente. La carga se mide en VEM (Vertical Equivalent Muon), donde 1 VEM es la carga promedio depositada en el detector Cherenkov por un muón vertical que atraviesa el tanque de agua completamente sin frenarse. Cabe mencionar que esta carga se midió por separado en un experimento de control y es igual a 107.5 pC (Vargas, 2002). En otro experimento de control se determinó que la ganancia del PMT del detector Cherenkov para un voltaje de 1590 V es igual a 9.0 x 106 (Chávez et al., 2000, GAP047) por lo cual un electrón en el cátodo del PMT, llamado foto-electrón, se amplifica hasta 1.44 pC por el PMT. Por consiguiente 1 VEM es igual a 74.6 foto-electrones.

11. En esta figura se aprecia que los eventos se agrupan de manera natural en 4 grupos. Para cargas alrededor de 0.1 VEM y 100 mV los eventos corresponden a electrones y fotones aislados, llamadas partículas electromagnéticas (EM) en esta figura. Los muones aislados o solos se agrupan alrededor de 1 VEM en carga y alrededor de 200 mV en amplitud. La dispersión de este grupo se debe a que algunos muones atraviesan por las orillas del tanque depositando poca carga mientras que otros atraviesan en forma diagonal depositando mas carga. El grupo de eventos marcado en esta figura como PMT es debido a que algunas veces los muones atraviesan el PMT y por lo tanto se produce luz Cherenkov en el vidrio del PMT adicional a la luz Cherenkov del agua. La señal producida por la interacción con el PMT fue estudiada en otro experimento de control y se encontró que en promedio es igual a 41 foto-electrones (Chávez et al., 2000, GAP046). El grupo de eventos marcado en la figura 5 como cascadas correspondes a la detección simultanea de varias partículas en el tanque de agua, por lo que la carga asociada es correspondientemente mayor pero la amplitud está limitada debido a la dispersión en el tiempo en que ocurre la cascada. En efecto, el tiempo de subida de 10 a 50% de los pulsos de muones solos medido es de 10 ns mientras que el tiempo medido para las cascadas va de 15 a 60 ns (Vargas, 2002). En esta última referencia se describe también que los pulsos para fotones y electrones aislados tienen un tiempo promedio de subida de 3.5 ns.

12. La proyección de los eventos de la figura 5 en el eje vertical de carga se muestra en la figura 6. Las dos rectas corresponden a las funciones de potencia Q-5 y Q-3. La diferencia entre los dos comportamientos se debe a la naturaleza diferente de los fenómenos que dan lugar a estos eventos: para cargas mayores que 4 VEM predominan las cascadas; para cargas de 0.2 a 4 VEM predominan los muones solos y para cargas menores que 0.2 VEM predominan los electrones y fotones aislados. Esta interpretación es consistente con la agrupación de eventos en la figura 5. Este resultado es importante pues implica que con un solo detector se pueden detectar cascadas de energías del orden de 1012-1013 eV, y que además es posible hacer una separación entre las partículas electromagnéticas aisladas y de los muones aislados; la aplicación de este conocimiento jugará un papel potencialmente importante en la calibración y en la separación de la composición de rayos cósmicos primarios de energías de 1020 eV en el Observatorio Pierre Auger (Salazar et al., 2001).

13. RESULTADOSMedición de la vida media de muones • La señal pare desintegración de muones es dos pulsos consecutivos en el detector de centelleo, el primero debido al muón y el segundo al electrón o positrón que resulta de la desintegración. Cabe señalar que el muón se desintegra emitiendo un electrón, o positrón en el caso de muones positivos, y dos neutrinos. La mayoría de los muones que llegan al recipiente con el líquido centellador tienen suficiente energía para atravesarlo, sin embargo, aproximadamente un muón de cada 180 tiene un momento del orden o inferior a 100 MeV/c por lo que se alcanza a frenar dentro del recipiente; el tiempo de frenado hasta velocidades sub-relativistas es del orden de nanosegundos y una vez en reposo. En el pasado hemos reportado resultados detallados sobre la medición de la vida media del muón con un detector de centelleo (Estévez, 1996). • El uso del detector híbrido tiene la ventaja de que se disminuye el ruido debido a la coincidencia accidental de dos pulsos debido al paso de dos muones aislados en la ventana de tiempo de 20 microsegundos. La figura 7 muestra los datos de dobles pulsos tomados con el arreglo experimental de la figura 3 mediante una ventana de tiempo de 20 microsegundos.

14. La gráfica superior representa eventos tomados con el detector híbrido pero sin hacer uso de la información del detector Cherenkov; en contraste, la gráfica inferior contiene los mismos eventos pero ahora con un veto para aquellos en los que hay una señal en el detector Cherenkov en coincidencia con el primer pulso del detector de centelleo. Las curvas en ambos casos son ajustes a la función exponencial P1 + P2e-t/P3. La escala vertical en ambas gráficas esta en unidades de eventos/0.2 microsegundos. De la figura 7 se observa que el ruido, P1, medido de para los pulsos accidentales en efecto disminuye de 13.8 a 5.3 eventos/0.2 microsegundos al hacer uso de la información híbrida. El resultado medido para la vida media del muón de la gráfica inferior es de P3 = 2.140.02 microsegundos, en acuerdo con el valor esperado para la desintegración de muones en un medio material e en la que la vida media es algo menor que el valor en el vacío, 2.19 microsegundos, debido al efecto de captura de los muones negativos por los núcleos del material (Estévez, 1996).

15. RESULTADOSMedición de la vida media de piones y kaones • Como se mencionó, en la radiación cósmica secundaria hay piones y kaones presentes debido a que son producidos por protones, neutrones y muones energéticos a bajas alturas. Estos números son considerablemente menores que los de muones, sin embargo su tiempo de desintegración es muy pequeño, 26.0 nanosegundos para el pión y 12.4 nanosegundos para el kaón, comparado con el del muón que es relativamente mucho mayor, 2 197.0 nanosegundos. Los modos de desintegración son los siguientes: pgmn el 100% de las veces; K gmn el 63.5%, K gp po el 21.2% y K gpomn el 3.2% (Hagiwara, 2002). La gran diferencia entre los tiempos de vida de los kaones, piones y muones permite las distribuciones exponenciales de tiempos cortos características de los kaones y piones encimadas en las distribuciones exponenciales de tiempos largos características de los muones y de otros tipos de ruidos. Como en el caso de los muones, los dos pulsos se deben a la partícula incidente el primero y el segundo a la partícula cargada que resulta de la desintegración, un muón en el caso del pión, o un pión o muón en el caso del kaón, de acuerdo con los modos de desintegración anteriores.

16. La figura 8 muestra los datos de dobles pulsos tomados con el arreglo experimental de la figura 3 mediante una ventana de tiempo de 300 nanosegundos. La disminución del número de eventos para tiempos inferiores a 50 nanosegundos se debe a la anchura natural de los pulsos detectados, incluyendo cascadas, de modo que para tiempos inferiores a 50 nanosegundos es cada vez más ineficiente separar claramente los dos pulsos con el equipo que utilizamos La gráfica superior contiene un ajuste hecho de 107 a 278 nanosegundos a una función de la forma P1 + P2e-t/P3, mientras que la gráfica inferior tiene el mismo ajuste en la región de 50-75 nanosegundos. Los resultados preliminares obtenidos hasta este momento señalan que en efecto la región de 107-278 nanosegundos está dominada por eventos de desintegración de piones ya que el ajuste en la gráfica superior da un valor de P3 = 24.63 nanosegundos, en acuerdo con la vida media de los piones, tp = 26.0 nanosegundos. En esta región de 107-278 nanosegundos los kaones no contribuyen debido a que se desintegran más pronto. Por otro lado, el ajuste en la gráfica inferior da un valor de P3 = 12.52 nanosegundos, en acuerdo con la vida media de los kaones, tK= 12.4 nanosegundos. Este resultado se obtiene sin restar la contribución que debería estar presente debida a piones; además los datos muestran un valle inesperado alrededor de 75 nanosegundos. Por estos motivos requiere un análisis más cuidadoso para entender los posibles errores sistemáticos asociados con la medición de tK. Este análisis está en proceso.

17. CONCLUSIONES • Hemos descrito el uso de un detector híbrido, diseñado y construido por los autores, para llevar a cabo la detección y medición de propiedades de rayos cósmicos secundarios. El detector consiste de un recipiente de líquido centellador que produce luz de fluorescencia situado sobre un tanque de agua que produce luz Cherenkov al paso de partículas cargadas. La electrónica que se usó consiste en módulos comerciales tipo NIM, un par de osciloscopios digitales y una PC. El programa de adquisición de datos usado fue hecho por los autores mediante el paquete de programación gráfica llamado LabView. El equipo utilizado es de usos múltiples y existe convencionalmente en los laboratorios de física moderna. Se ha descrito el uso de este equipo para realizar la detección de partículas electromagnéticas, muones aislados, cascadas atmosféricas extendidas, piones aislados y kaones aislados. Se ha hecho una medición de la frecuencia de ocurrencia de cascadas de rayos cósmicos de energías alrededor de 1012-1013 eV usando un solo detector, en contraste con la técnica tradicional de usar la coincidencia de varios detectores. La electrónica usada consiste en módulos comerciales tipo NIM, un par de osciloscopios digitales y una PC. Se ha presentado un análisis estadístico de los datos obtenidos con este equipo para extraer mediciones de las vidas medias de muones, piones y kaones. Los resultados obtenidos son los siguientes: tm = 2.120.02 ms, tp = 24.63 ns y tK = 12.52 ns en acuerdo con los valores reportados en la literatura. El equipo utilizado es de usos múltiples y existe convencionalmente en los laboratorios de física moderna

18. REFERENCIAS • Alarcón M., M. Medina, L. Villaseñor, E. Cantoral, A. Fernández, r. López, M. Rubín, S. Román, H. Salazar, M. Vargas, L. Nellen, J.C. D’Olivo, J. Valdés-Galicia, y A. Zepeda, Rev. Mex. Fis., 44[5] (1998) 479-483. • Alarcón M., F. Alcaraz, J. Barrera, E. Cantoral, J.C. D’Olivo, A. Fernández, M. Medina, L. Nellen, C. Pacheco, S. Román, H. Salazar, J. Valdés-Galicia, M. Vargas, L. Villaseñor, y A. Zepeda, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A., 420 [1-2] (1999) 39-47. • Chávez N., Medina M. and Villaseñor L., Auger Project Technical Note, GAP2000-046, http://www.auger.org/admin/GAP_Notes/GAP2000/gap_2000_046.pdf, 2000. • Chávez N., Medina M. and Villaseñor L., Auger Project Technical Note, GAP2000-047, http://www.auger.org/admin/GAP_Notes/GAP2000/gap_2000_047.pdf, 2000. • Estévez J., Villaseñor L., González A. y Moreno G., Rev. Mex. de Física, 42 [4] (1996) 649-662. • Hagiwara K. et al., Particle Data Group, Phys. Rev. D., 66-1I (2002) 1-974. • Salazar h., Nellen L. and Villaseñor L., Proceedings of the 27th. Intl. Cosmic Ray Conference, edited by K.H. Kampert, G. Heinzelmann & C. Spiering. Hamburg Germany, vol. 2 session HE (2001) 752-755. • Vargas C., Medición de Cascadas Atmosféricas Extendidas, Tesis de Licenciatura, Esc. de Cs. Fisicomatemáticas (2002) 84 p.

19. Figura1. Ilustración de una cascada atmosférica extendida producida por un rayo cósmico primario.

20. Figura 2. Arreglo experimental del detector híbrido centelleo/Cherenkov

21. Figura 4. Copia de la pantalla del programa de adquisición de datos. En este evento en particular se aprecian en la en la parte superior dos pulsos de PMT del detector de centelleo, en la parte de en medio aparecen los mismos dos pulsos pero ahora de tipo NIM tomados de la salida del discriminador a un umbral de 30 mV y en la parte inferior se observa que no hay actividad registrada en el detector Cherenkov.

22. Figura 3. Fotografía del sistema de adquisición de datos. Se aprecia la electrónica, los osciloscopios y la computadora en operación.

23. Figura 5. Carga de los pulsos del PMT del tanque de agua como función de la amplitud para eventos en los que hay actividad en el detector Cherenkov arriba de un umbral de 30 mV en amplitud.

24. Figura 7. Datos de dobles pulsos tomados con el arreglo experimental de la figura 3 para una ventana de tiempo de 20 microsegundos. Las curvas sobrepuestas son ajustes a la función P1 + P2e-t/P3 .

25. Figura 6. Proyección de los eventos de la figura 5 en el eje vertical de carga. La diferencia entre los dos comportamientos se debe a la naturaleza diferente de los fenómenos que dan lugar a estos eventos: para cargas mayores que 4 VEM predominan las cascadas; para cargas de 0.2 a 4 VEM predominan los muones solos y para cargas menores que 0.2 VEM predominan los electrones y fotones aislados.

26. Figura 8. Datos de dobles pulsos tomados con el arreglo experimental de la figura 3 para una ventana de tiempo de 300 nanosegundos. Las curvas sobrepuestas son ajustes a la función P1 + P2e-t/P3 .