Detecção de Raios Cósmicos
Ultra-Energéticos Usando
Técnica de RADAR
Fernando Marroquim
IF/UFRJ
Colaboração
• UFRJ:
– 1 Doutorando de Informática
– 1 Mestrando de Física
– 3 IC
• BNL:
– Hélio Takai et al.
Raios Cósmicos UE > 106TeV
• Grande interesse dos astrofísicos em entender a
natureza, origem, fluxo, etc destas partículas.
• Nova e interessante física pode ser explorada,
inclusive além do Modelo Padrão, estudando-se a
interação destas partículas com a atmosfera.
• Exemplo temos recentes trabalhos teóricos que
sugerem a possibilidade de se produzir “mini-black
holes” os quais seriam assinaturas da existência de
dimensões físicas extras. .
Caracterização do Problema
• Atualmente somente com raios cósmicos
ultra-energéticos é que se tem acesso ao
estudo da Física em escalas de energias
acima de 106 TeV.
• Estes eventos são raros e para se ter uma
estatística razoável são precisos detectores
que cubram uma grande área.
Caracterização do Problema
• O fluxo de partícula primária para partículas
acima de 106 TeV é da ordem de 1 partícula /
km2 por ano.
• Na tecnologia convencional cobrem-se áreas
de alguns milhares de km2 com detectores
espaçados e fica assim restrita pelo enorme
custo, limitações físicas, etc.
Highest Energy Cosmic Rays
• CRUE
>1018 eV desde dos anos
60
• Nenhum corte de energia > 3
1020 eV devido efeito GZK
• Fontes quase que certamente
extragalactica, mas como eles
sobrevivem photopion
production dos photons de
3Kelvin?
Detector atual
• Projeto Auger
– 1600 particle detectors(10k liters water tanks),
1.5km spacing, ~100% duty cycle, based on the
Tcherenkov effect
– 3000 km^2 array total area
– Fluorescence array embedded with ~20-30 km
spacing, 10% duty cycle.
– Complete at end 2005.
Proposta
• Aplicar a técnica do espalhamento de uma onda
eletromagnética contínua emitida pelas estações
comerciais de televisão, estações de rádio FM, pelos
aeroportos (VOR, ILS), etc para se detectar raios
cósmicos ultra-energéticos.
• A técnica “Radio Metor Scatter” (RMS), é usada para
se estudar diversas características de meteoros e
micro-meteoros, e permite com uma única antena
cobrir uma área de 106 km2.
Proposta Nova ?
• Colwell & Friend (1937), Appleton & Piddington (1936) &
many others saw sporadic transient echoes from 1-10 MHz
pulsed “radar”
•
Blackett & Lovell (1940) proposed that this could be due to
very large air showers that had recently been shown to exist
by P. Auger
•
B& L cosmic ray flux estimates & radar cross section were
remarkably good--but did anyone ever test this proposal?
•
K. Suga (1962) & T. Matano et al (1968) revisited the
problem, but with flawed analysis, and no results ever
reported.
•
No further reports or results to the present...
• Possible now with the new techniques?
Ionização
• Produzida por raios cósmicos ultraenergéticos é similar ou maior em magnitude
do que as produzidas pelos meteoros apesar
de serem de diferentes origens.
• Produzida pelos meteoros é devido a queima
e dura até 20 segundos pois sua velocidade é
no máximo de 100km/s.
• Consegue-se detectar meteoros de até
1microg.
Ionização
• A ionização dos raios cósmicos é causada
pelos subprodutos do chuveiro e dura até 100
microseg e se propaga com a velocidade c.
• Se a técnica RMS tiver uma performance
similar para os raios cósmicos ultraenergéticos obteremos um fator em potencial
na estatística de 103 em relação a técnica
convencional por um custo bem menor.
Técnica RMS
• Curvatura da Terra impede que
um receptor a grande distância
do transmissor, e operando na
mesma
freqüência,
receba
diretamente o sinal proveniente
deste último.
• Meteoro deixa um rastro de ar
ionizado (cauda), que pode passar
a refletir as ondas provenientes
do transmissor, podendo ser
detectadas pelo receptor.
Meteoro
• A cauda do meteoro é um plasma
• Frequencia caracteristica do plasma:
wp = sqrt (ne e2/ e0 me)
Espera-se ne da ordem 1014 a 1020 eletrons/m3
• A frequencia ideal está entre 50 a 120 MHz
• Abaixo de 30 MHz, a ionosfera reflete
rádio.
ondas de
• Acima de 120 MHz, a capacidade de reflexão da
cauda diminui.
Meteoro
Arranjo Experimental
• O processo realizado
pelo rádio se chama
demodulação.
• A freqüência da
portadora é “rebatida”
para a posição 0 Hz.
• A informação a volta da
portadora é preservada.
Arranjo Experimental
• Receiver PCR-1000
controlado por mC.
• GPS coincidencia offline
• Placa de som
profissional de oito
entradas de som
adquiridas a 96 Khz
de forma simutânea.
• 16 bits de resolução.
Receptor controlado por
microcomputador
• ICOM PCR –1000 : demodula
o sinal refletido, baixando sua
freqüência para uma banda,
tal que uma placa de som
possa ser usada para amostrar
o sinal. Essa demodulação
pode ser feita em diferentes
modos: AM, FM, CW, etc.
Placa de Som
• Delta 1010LT : pode
adquirir dados através de
8 canais simultaneamente
com uma taxa de
amostragem de até 96 KHz
GPS
• DELUO : fornece-nos a hora
do evento, com uma precisão
de nano segundos e é
conectado ao programa de
análise e assim podemos ver
se amostras foram perdidas.
Visualizando e Ouvindo Meteoros
Primeiros Dados de Meteoros
Características do Sinal para Análise
A frequencia do sinal refletido estará em torno da frequencia do
sinal transmitido, usando o Método RMS podemos detectar:
• Aviões: Efeito Doppler sinais com duração de minutos e num
raio de 500km.
• Meteoros: sinais com duração de segundos e num raio de
1000km o que corresponde a um área de 10^6 km^2
• Raios Cósmicos: sinais com duração da ordem de dezenas
de microsegundos e num raio > 700km ??.
• Relâmpagos e Raios, e-clouds, etc
FFT para Aviões
O Experimento
Cintiladores ou Camaras de Gás
• Este é o sistema de
acquisição para fotomultiplicadoras.
• O sinal é inserido
diretamente na placa de
som (40 KHz freqüência
de corte).
• GPS para localizar
eventos no tempo.
• arranjo experimental
flexível e de baixo custo.
Coincidência de Eventos
• Coincidências
serão realizadas
online. Só
amostras em
coincidência e
bitstream do GPS
são gravados
Receita para Detectar Raios
Cósmicos
• 1. Determine ionization density vs shower energy & altitude
- Sendo estimados através de simulações
• 2. Determine lifetime of free electrons in the air column
- Process: e + O2 => O- + O, Sendo medido
experimentalmente em BNL.
• 3. Determine the total radar cross section of the electrons
– depends on plasma characteristics, radar wavelength
• 4. Specify the radar power & pulse characteristics
Simulação da Ionização(Prelim.)
Conclusões
• O problema de detecção de raios cósmicos é
geralmente resolvido com o uso de várias unidades
detectoras espalhadas numa área de vários Kms.
• Nossa aproximação procura resolver o problema
com um mínimo de detectores que poderiam
explorar uma área muito maior através das reflexões
de ondas de rádio (radio scattering).
• Esta é uma técnica usada para detecção de
meteoros (background em nossa experiência)
Conclusões
• Durante o desenvolvimento do sistema de aquisição de
dados, ficou clara a necessidade de se usar um sistema
operacional em tempo real (RTLinux)
• Uso do GPS possibilitou uma avaliação do funcionamento do
sistema.
• Em offline é possível se reconstruir o tempo de cada amostra
em sincronia com UTC com um erro menor que (20 µs).
• O uso de transmissoras de TV digital reduz o ruído.
• Os receptores de rádio possuem um ajuste automático de
ganho (problema) -> desenvolvimento de um circuito próprio
Conclusões
• Estamos em contato com experimento
AUGER. Usar a estrutura do Auger pode
facilitar a verificação da técnica, bem como
uma metodologia de calibração.
• Montar um experimento com quatro estações
receptoras para se extrair a altura em que o
evento ocorreu e se poder distinguir entre RC
e meteoro.
Conclusões
• Estudos dos meteoros revelam efeito de
sombra causado pela rotação da Terra.
• Aprimoramentos na análise do sinal são
necessários.
• Projeto original:
Somente a UFRj e BNL estão envolvidos
Conclusões
• Forte apelo educacional
É possível envolver estudantes de
segundo grau a posdoutores.
• Simplicidade de princípio.
RMS é usado a muito tempo pelos
radioamadores
• Interdiciplinaridade
Envolve Física, Eletrônica, Informática,etc.
• Relativo baixo custo
Uma estação completa custa 4000 dólares
e cobre uma grande área.
Conclusões
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Usando a técnica RMS é possível estudar:
Raios Cósmicos
Aviôes
Meteoros,
E-clouds,
Relâmpagos, raios, fenômenos atmosféricos,
OVNIs,
etc
Conclusões
• New technique =>
– Air cherenkov (TeV gamma-ray detectors)
~15 year development required
– Fluorescence technique
~8 yrs to initial detector
~15 to HiRes
– Maturity of radar methods will help
Conclusões
• Considero este um projeto
polivalente ideal para MG e
para o Brasil.