Nghiên Cứu Về Hạt Muon Trong Các Cơn Mưa Không Khí Sử Dụng Detector Cherenkov Tại Hà Nội

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hạt muon trong mưa rào khí quyển tại Hà Nội bằng detector Cherenkov nước, cung cấp thông tin và kết quả chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thảo
• Người hướng dẫn: GS. Pierre Darriulat
• Trường học: Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Hạt Muon Trong Các Cơn Mưa Không Khí Sử Dụng Detector Cherenkov Tại Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Hạt Muon Tại Hà Nội

Nghiên cứu về hạt muon trong các cơn mưa không khí là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt. Hạt muon, một loại hạt cơ bản, được tạo ra khi các tia vũ trụ tương tác với khí quyển Trái Đất. Việc sử dụng detector Cherenkov để phát hiện hạt muon mang lại nhiều thông tin quý giá về các cơn mưa không khí. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các hạt cơ bản mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong vật lý hạt và thiên văn học.

1.1. Hạt Muon Là Gì Và Vai Trò Của Chúng

Hạt muon là một loại hạt cơ bản có khối lượng lớn hơn electron. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý tại các năng lượng cao. Hạt muon được tạo ra từ sự phân rã của các hạt khác trong các cơn mưa không khí, và việc phát hiện chúng giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về nguồn gốc và tính chất của các tia vũ trụ.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Tại Hà Nội

Hà Nội, với vị trí địa lý đặc biệt, là nơi lý tưởng để nghiên cứu hạt muon. Việc sử dụng detector Cherenkov tại đây giúp thu thập dữ liệu về các cơn mưa không khí, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu về vũ trụ và vật lý hạt. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị khoa học mà còn góp phần vào việc đào tạo thế hệ nhà khoa học tương lai.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Hạt Muon

Mặc dù nghiên cứu về hạt muon mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Việc phát hiện và phân tích các tín hiệu từ detector Cherenkov đòi hỏi công nghệ cao và kỹ thuật chính xác. Các yếu tố như độ nhạy của thiết bị, điều kiện môi trường và sự can thiệp từ các nguồn nhiễu có thể ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

2.1. Độ Nhạy Của Detector Cherenkov

Độ nhạy của detector Cherenkov là yếu tố quyết định trong việc phát hiện hạt muon. Thiết bị cần phải được hiệu chỉnh chính xác để có thể ghi nhận các tín hiệu yếu từ hạt muon. Việc cải thiện độ nhạy sẽ giúp tăng cường khả năng phát hiện và phân tích các cơn mưa không khí.

2.2. Ảnh Hưởng Của Môi Trường

Điều kiện môi trường tại Hà Nội, như độ ẩm và ô nhiễm không khí, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của detector Cherenkov. Các yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng dữ liệu thu thập được là chính xác và đáng tin cậy.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hạt Muon Bằng Detector Cherenkov

Nghiên cứu sử dụng detector Cherenkov để phát hiện hạt muon bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, thiết lập thí nghiệm với các thiết bị cần thiết để ghi nhận tín hiệu từ hạt muon. Sau đó, phân tích dữ liệu thu thập được để xác định các đặc tính của hạt muon và các cơn mưa không khí.

3.1. Thiết Lập Thí Nghiệm Với Detector Cherenkov

Thiết lập thí nghiệm bao gồm việc lắp đặt detector Cherenkov tại vị trí thích hợp để tối ưu hóa khả năng phát hiện hạt muon. Các thiết bị hỗ trợ như hodoscope cũng được sử dụng để cải thiện độ chính xác trong việc xác định thời gian và vị trí của các tín hiệu.

3.2. Phân Tích Dữ Liệu Từ Hạt Muon

Sau khi thu thập dữ liệu, quá trình phân tích sẽ diễn ra để xác định các đặc tính của hạt muon. Các phương pháp thống kê và mô hình hóa sẽ được áp dụng để hiểu rõ hơn về sự phân bố và năng lượng của hạt muon trong các cơn mưa không khí.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Hạt Muon Tại Hà Nội

Kết quả nghiên cứu cho thấy detector Cherenkov có khả năng phát hiện hạt muon với độ chính xác cao. Dữ liệu thu thập được từ các cơn mưa không khí đã cung cấp những thông tin quý giá về sự phân bố và năng lượng của hạt muon. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu vật lý hạt mà còn có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác.

4.1. Phân Tích Kết Quả Từ Detector Cherenkov

Kết quả từ detector Cherenkov cho thấy sự phân bố của hạt muon trong các cơn mưa không khí có sự tương quan với các mô hình lý thuyết. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp nghiên cứu đang được áp dụng là hiệu quả và đáng tin cậy.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu

Những phát hiện từ nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc phát triển các công nghệ mới trong vật lý hạt và thiên văn học. Ngoài ra, nghiên cứu cũng góp phần vào việc đào tạo và nâng cao năng lực cho các nhà khoa học trẻ tại Việt Nam.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Hạt Muon

Nghiên cứu về hạt muon tại Hà Nội đã mở ra nhiều hướng đi mới cho các nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý hạt. Kết quả đạt được không chỉ có giá trị khoa học mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ và đào tạo nhân lực. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều khám phá mới và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Tầm Nhìn Tương Lai Trong Nghiên Cứu

Tương lai của nghiên cứu về hạt muon sẽ tiếp tục được mở rộng với sự phát triển của công nghệ và các phương pháp nghiên cứu mới. Việc cải thiện độ nhạy của detector Cherenkov sẽ giúp thu thập dữ liệu chính xác hơn, từ đó nâng cao chất lượng nghiên cứu.

5.2. Đóng Góp Của Nghiên Cứu Đối Với Khoa Học

Nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào kho tàng tri thức của vật lý hạt mà còn tạo ra cơ hội cho các nhà khoa học trẻ tại Việt Nam. Việc tham gia vào các dự án nghiên cứu quốc tế sẽ giúp nâng cao vị thế của Việt Nam trong cộng đồng khoa học thế giới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÍ NGUYỄN THỊ THẢO STUDY OF MUONS PRODUCED IN EXTENSIVE AIR SHOWERS DETECTED IN HANOI USING A WATER CHERENKOV DETECTOR LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Hà Nội − 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÍ NGUYỄN THỊ THẢO STUDY OF MUONS PRODUCED IN EXTENSIVE AIR SHOWERS DETECTED IN HANOI USING A WATER CHERENKOV DETECTOR Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 62 44 01 06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.Pierre Darriulat Hà Nội − 2014 2 Tóm tắt Luận án trình bày nghiên cứu chi tiết về hoạt động của detector Cherenkov VATLY, bản sao của một trong 1660 detector mặt đất tại Đài thiên văn Pierre Auger. Đề tài nghiên cứu tập trung vào sự đáp ứng của detector đối với các tín hiệu nhỏ tới một phần mười tín hiệu được tạo ra bởi hạt muon đi xuyên detector theo phương thẳng đứng (VEM ), mở rộng vùng hoạt động của detector lên đến 104. Nghiên cứu sử dụng phương pháp tìm kiếm thực nghiệm sự phân rã của hạt muon dừng trong khối nước của detector, trong đó chỉ có một vài phần trăm thông lượng hạt là phát ra đủ ánh sáng Cherenkov để có thể được ghi nhận trước khi bị dừng hoàn toàn. Sau đó, mỗi muon phân rã thành một electron (hay positron) có năng lượng trung bình khoảng 35 MeV.

Thí nghiệm được thiết kế phù hợp cho việc phát hiện các tín hiệu được tạo ra bởi cả muon dừng và electron được sinh ra. Những cặp tín hiệu như vậy đã được phát hiện trong các điều kiện thí nghiệm khác nhau, cả biên độ tín hiệu lẫn khoảng thời gian giữa hai tín hiệu cùng được xác định. Một hodoscope nhấp nháy được đặt trên và dưới detector Cherenkov để chuẩn thang đo cho hệ thống. Một số lượng lớn mẫu số liệu đã được thu thập cho thấy bằng chứng rất rõ ràng về sự phân rã muon với phổ thời gian như đã dự kiến.

Biên độ tín hiệu của hạt electron được thấy chỉ bằng một phần của một VEM , và chỉ phần đuôi phổ phân bố là được ghi nhận. Phân bố của muon đòi hỏi phải có thêm sự đóng góp của thành phần mềm electron/photon, xuất hiện đặc biệt quan trọng trong thí nghiệm này do detector Cherenkov có thể tích ghi đo lớn. Một mô hình để tìm hiểu về cơ chế vật lý và tiến trình ghi nhận đã được xây dựng giải thích rõ ràng phổ phân bố điện tích và thời gian đã thu được. Nó cũng cho phép đánh giá số quang điện tử trên một VEM là 13,0 ± 0,9 và năng lượng trung bình của muon là 4,0 ± 0,4 GeV.

Hiệu suất ghi nhận hạt electron ngụ ý một kích thước mưa rào electron hiệu dụng là ~36 ± 6 cm, bằng kích thước của chiều dài bức xạ trong môi trường nước. Điểm cuối của phổ phân bố điện tích electron, tương ứng với động năng 53 MeV, được đo là Eend = 0,275 ± 0,018 VEM phù hợp với dự kiến. Tốc độ sự kiện được đo phù hợp với dự kiến. Tốc độ xuất hiện sự kiện muon kép trong cùng một mưa rào là 7,0 ± 0,5 Hz.

Một chương trình mô phỏng cơ chế thu nhận ánh sáng đã được 3 viết thể hiện sự phụ thuộc của các góc tới nhỏ vào hiệu suất ghi nhận, điều này phù hợp với quan sát. Ngoài ra, nghiên cứu này đã đóng góp những thông tin hữu ích về các hoạt động chi tiết của những detector Cherenkov lớn nói chung, và của mảng detector mặt đất tại Đài thiên văn Pierre nói riêng. Nghiên cứu đã góp phần vào việc đào tạo sinh viên ngành vật lí hạt thực nghiệm và vật lí hạt nhân bằng cách cung cấp cho họ một công cụ đặc biệt thích hợp với công việc. 4 Abstract A detailed study of the performance of the VATLY Cherenkov detector, a replica of one of the 1660 detectors of the ground array of the Pierre Auger Observatory, is presented.

The emphasis is on the response to low signals down to a tenth of the signal produced by a vertical feed-through muon (VEM), implying a dynamical range in excess of 104. The method is to look for decays of muons stopping in the water volume of the detector, of which only a few produce sufficient Cherenkov light to be detected before stopping. The subsequent muon decay produces an electron (or positron) that carries an average energy of only ~35 MeV. The experimental set-up detects the signals produced by both the stopping muon and the decay electron.

Such pairs have been detected under various experimental conditions and the amplitude of the electron signal has been recorded together with the time separating the two signals. A scintillator hodoscope that brackets the Cherenkov detector from above and below provides a precise calibration. A large sample of data has been collected that give very clear evidence for muon decays with the expected time dependence. The amplitude of the electron signal is observed at the level of a fraction of a VEM, and only the upper part of its distribution can be detected.

The muon distribution requires the additional contribution of a soft electron/photon component, which appears particularly important in the present experimental set-up due to the large sensitive volume of the Cherenkov detector. A model of the physics mechanism at play and of the detection process has been constructed, giving good descriptions of the measured charge and time distributions. This allows for obtaining useful evaluations of the number of photoelectrons per VEM, 13.9, and of the mean muon energy, 4. The detection efficiency of electrons implies an effective electron shower size, ~36±6 cm, at the scale of the radiation length in water.

The end point of the electron charge distribution, corresponding to a kinetic energy of 53 MeV, is measured to be Eend=0.018 VEM in agreement with expectation. The measured event rates are found in good agreement with predictions and the occurrence of muon pairs from a same shower is measured with a rate of 7. A simulation of 5 the light collection mechanism suggests the presence of a small zenith angle dependence of its efficiency, which is found consistent with observation. At the same time as this study contributes useful information to the detailed performance of large Cherenkov detectors in general, and particularly of the ground array of the Pierre Auger Observatory, it contributes to the training of students of experimental particle and nuclear physics by making available to them a tool particularly well suited to the task.

6 Key to Abbreviations VEM Vertical Equivalent Muon PAO Pierre Auger Observatory VATLY Vietnam Auger Training LaboratorY SNR Super Nova Remnants EAS Extensive Air Shower UHECR Ultra High Energy Cosmic Rays LDF Lateral Distribution Function FD Fluorescence Detector SD Surface Detector GZK Greisen-Zatsepin-Kuzmin CMB Cosmic Microwave Background PMT Photomultiplier Tube ADC Analogue to Digital Converter TDC Time to Digital Converters NIM Nuclear Instrumentation Module TU Timing Unit PU Pattern Unit Disc Discriminator TAC Time to Amplitude Converter MCA Multi Channel Analyzer CAMAC Computer Automated Measurement And Control t. threshold unit 7 Acknowledgements My deep gratitude goes first to Prof. Pierre Darriulat, supervisor of this thesis, for countless discussions, enormous help during my doctoral studies and continuous support. Without him this work would not have been possible.

I would like to thank Dr. Dang Quang Thieu for guidance and assistance with the hardware. I also thank my colleagues, Dr. Pham Ngoc Diep, Dr.

Pham Thi Tuyet Nhung and Dr. Pham Ngoc Dong for their friendly collaboration. The work accomplished by the Auger Collaboration inspired the studies presented here: much of my work owes a lot to their experience. I express my deep gratitude to our colleagues in the Pierre Auger Collaboration and to the friends of VATLY for their constant interest and support.

I thank INST/VAEI, IOP, NAFOSTED, the French CNRS, the Rencontres du Vietnam, the Odon Vallet fellowships and the World Laboratory for financial support. This thesis is dedicated to my family − Nguyễn Văn Trương, Bùi Thị Sửu, Nguyễn Thành Dương, Bùi Thị Thái, Nguyễn Khánh Huyền and Nguyễn Thanh Hà. 8 Table of content Tóm tắt. 5 Key to Abbreviations.

8 Table of content .1 Generalities on cosmic rays.2 The Pierre Auger Observatory.3 Cosmic rays in Hanoi.4 The VATLY Cherenkov detectors .5 Overview of the present work. Response of the VATLY Cherenkov Detector to feed-through muons .1 The trigger hodoscope.2 High voltages and delays .3 Analysis of hodoscope data .2 Time of flight .4 Analysis of Cherenkov data .1 Response of the Cherenkov counter to a hodoscope trigger .2 Selection of good muons. Muon decays in the VATLY Cherenkov tank. Simulation of the detector and muon signal.

Auto-correlations: rates and time distributions .4 Muon decays and muon captures .5 Decays, capture and multi-muons. Auto-correlations: electronics and data acquisition .1 Auto-correlation measurement. Auto-correlations: data analysis. Results and interpretation .2 Comparison with the data .3 Including a soft component .4 Threshold cut-off functions .5 Dependence on zenith angle .6 Comparison between data and simulation .7 Decoherence and shower size.

Summary and conclusion .1 Generalities on cosmic rays Cosmic rays [1] are ionised nuclei that travel in space up to extremely high energies of the order of 1020 eV=16 Joules. There are very few of them but their contribution to the energy density of the Universe is similar to that of the Cosmic Microwave Background or of the visible light or of the magnetic fields, namely ~1 eV/cm3. Their power law energy spectrum (Figure 1.1), spanning 32 decades (12 decades in energy), is of the approximate form E–2. The Pierre Auger Observatory (PAO) [2] studies the high energy part of the spectrum, where an extragalactic component can be found.

The water Cherenkov detector of the Vietnam Auger Training LaboratorY (VATLY), which is being studied in the present thesis, is a replica of those used in the PAO. Indeed VATLY is associated with the PAO and much of its research is related to PAO data. However, the present study uses data collected in Hanoi, at sea level, which correspond to the low energy part of the spectrum. Its main aim is to study the detector, its properties and its response to various sources, in particular to low signals.

Because of the close relation between VATLY and the PAO, we Figure 1.1 The cosmic ray energy devote the next sub-section (1.2) to a spectrum displaying its main features. brief description of the PAO and of the physics questions that it addresses. The main characteristics of low energy cosmic rays, as used here, are briefly reviewed in sub-section 1.3 and the water 11 Cherenkov detectors used in both VATLY and the PAO are described in sub- section 1.5 introduces the present work. At lower energies, cosmic rays are found to be ionised nuclei with relative abundances similar to those measured on average in the Universe: protons dominate, followed by helium nuclei and by a spectrum of strongly bound light nuclei, mostly iron.

Spallation reactions occurring in the interactions of cosmic rays with interstellar matter tend to fill the valleys of the original spectrum. Most of the lower energy cosmic rays are galactic and have their sources in the shells of young Super Nova Remnants (SNR) in the Milky Way, the acceleration mechanism being well described by diffusive shock acceleration across the shock front [3].