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Cosmic ray in the bar:
Thermo Acoustical Conversion
under the hypothesis that all the deposited
energy, is converted in a local heating
of the medium:
T 
p  g
E
 CV 0
E
V0
g is the Gruneisen "constant”
C is the specific heat
Y
g 
C
Cosmic ray interaction
in the bar
Excitation of the longitudinal modes
of a cylindrical bar
Thermo-Acoustic Model:
the energy deposited by the
particle is converted in a local
heating of the medium:
A resonant gw detector used as a
particle detector is different from
any other particle detector
T 
p  g
E
V0
E
 CV 0
g 
Y
C
g = Gruneisen "constant”
Al 5056;
L= 3m; D=0.6 m
M=2300 kg
T= 0.1 K
f±=907 Hz, 922 Hz
h= 3 x 10-22 Hz-1/2
hpulse= DL/L = 4 x 10-19
DE = 2 mK = 0.3 meV
Nautilus is equipped with
7 layers (3 over the
cryostat - area 36m2/each and 4 below -area 16.5
m2/each) of Streamer
tubes.
The cosmic ray effect on the bar is measured by an offline correlation, driven by
the arrival time of the cosmic rays, between the observed multiplicity in the ST
detector (saturation for M≥103 particles/m2) and the data of the antenna, sampled
each 4.54 ms and processed by a filter matched to  signals
Al 5056;
L= 3m; D=0.6 m
M=2300 kg
T= 0.1 K
f±=907 Hz, 922 Hz
h= 3 x 10-22 Hz-1/2
hpulse= DL/L = 4 x 10-19
DE = 2 mK = 0.3 meV
Il rivelatore di raggi cosmici di
NAUTILUS (1993)
Quick Time™ e un de compr ess ore TIFF ( No n c ompre sso ) s on o ne ce ss ari p er vis ual izz are qu est'immag ine .
)
100
-1
EAS event rate (s
• 116 camere 8 tubi streamer (regime di scarica limitata) da 600x3x3 cm2 3
strati sopra 4 strati sotto
• lettura analogica della carica==>> numero di particelle
• saturazione a circa 500 particelle per camera da 1.44 m2
• 15 canali ADC attenuati 1/10 per aumentare la dinamica
Expected rate
EAS rate s^-1
10-2
10-4
10-6
10-1
100
101
102
103
2
Multiplicity (particles/m
)
104
Raggi cosmici simulazione
Simulazione con il codice
Geant con la descrizione
dei materiali attorno
all’antenna
µ
iron
disks
coaxial
iron
tubes
bar
vacuum
can
bottom LST
m odule
104
Raggi Cosmici in Nautilus Eventi/giorno
Eventi/giorno
1000
100
10
1
0.1
0.01
10-7
10-6
10-5
0.0001
0.001
Energia (Kelvin)
Limite quantistico ~ 10-7 K
0.01
0.1
1998 primi cosmici visti in NAUTILUS
• miglioramento sensibilità di NAUTILUS
• tecnica di analisi “cumulativa” a zero soglia
Ricerca segnali senza soglia
Selezione degli eventi ad alta densità (>600 particelle/m2)
Somma dei segnali dell’antenna prendendo i tempi rispetto al tempo
d’arrivo dello sciame cosmico (uscita del filtro “matched” a 220 Hz)
• Per segnali molto piccoli questo metodo è più sensibile di quello
basato sulla ricerca di coincidenze
• questa tecnica fu proposta a priori prima di guardare i dati
• tecnica usata anche in altre analisi (ad esempio gamma-burst)
Ricerca segnali senza soglia
filtro matched
Ti= T noise <5m Kelvin
Risultati simili con altri
filtri ma segnale meno
evidente
Ei
T
E w  i 1i
iT
i
Weighted average in
Kelvin over 92
events with
threshold > 600
particle/m2
Then : the detection of several unexpected
very large amplitude events
One of the largest events with the 5 kHz ADC
9 Kelvin (June 2000)
• GPS timing : 200µsec precision
• The event is so big that no sophisticated filtering is necessary
The largest : 58 Kelvin <==> 80 TeV
P.Astone et al. : Energetic cosmic rays observed by
the resonant gravitational wave detector NAUTILUS Physics Letters B499, 16-22 (2001).
Eventi inattesi - correlazione con densità di
particelle
Correlazione non
evidente ma
statisticamente
significativa
Nessuna
correlazione
Sciami estesi non
spiegano questi
eventi
Integral Distribution as function of energy calculated with the
themo-acustical model
• Our calculation is in agreement with the direct measurement (Cascade
experiment) taking into account the small energy contaiment in the antenna (a
few percent at the energy of interest) ==>>
a)Event Rate 2 order of magnitude higher than expected or
b) Energy 2 order of magnitude higher than the one computed with the thermoacustical model
• Hadrons + thermo-acustical model unable to explain the data
How can we explain these data?
1) Something wrong in the calculations: there could be mistakes, but not
such to account for a factor 100.
2) Something strange in the cosmic rays at the energy of interest (energies
in the region of the knee of the cosmic ray)
3) Something strange in the Nautilus detector:
a) the cosmic rays could trigger a release of non elastic
audiofrequency modes
b) effects related to superconductivity:
the normal assumption is that the passage of a particle breaks
Cooper pairs (0.34 MeV in Al) and therefore in the thermoacustical model is assumed normal Alluminium, but there are no
experimental data for this model
or
the cosmic rays trigger some sort of metastable state due to
superconductivity
Comportamento di Nautilus
nel 2000- 2001a T=1.5 kelvin
Solo 1 evento con analisi in
coincidenza (T=0.5 Kelvin
~ 8 TeV)
The Superconductivity is now the
preferred origin of the anomalous
events
•After August 2000 Nautilus is running at 1.1 Kelvin
D ata : T noi se < 0.01 Kelvin
Pa rticle densi ty > 3 00/ m 2
0.5
2000
rate/day
0.4
0.3
1998
0.2
0.1
T = 0.1 Kelvin
(AL Superconductor)
T=1 .1 Ke lvin
Al norm al
2000
2001
0
Sept- Dec 1998
Mar- Jul 2000
A ug 2000- June 2001
2002 Rivelatori di sciami su EXPLORER
(CERN)
Study of this effect in a controlled environment:
the RAP experiment
• of interest to understand the limitations in the sensitivity of the
gravitational bar detector (not a problem for the current sensitivity)
• useful for the future generations of gw detectors, including interferometers
• of general interest to understand the effect of particles on a
superconductive medium
• we plan to excite vibrations of a small aluminium cylindrical bar at
temperatures below and above 1 Kelvin, using the 500 MeV electron
beam of the DAFNE BTF in Frascati
Sommario di tutti i dati
Ev/Giorno Distribuzione integrale
100
Explorer ev/giorno tutto 2003
predizioni
EXPLORER 2002 >600 P M2
Nautilus 2003 ev giorno
Nautilus 2000-2001 ev/giorno
Ev/Giorno Nautilus 98
Nautilus 2000 T<1 K
Sommario dati coincidenze
raggi cosmici 1998 ad oggi
10
1
predizioni
0.1
0.01
Explorer 2003 aggiornato a
metà Dicembre
0.001
0.001
0.01
0.1
Sqrt(kelvin)
1
10
Nautilus 2003 a Settembre
Solo T < 1 Kelvin
predizioni
Ev/Giorno Nauti lus 98
Nautilus 2000 T <1 K
100
Solo T < 1 Kelvin
10
1
0.1
0.01
0.001
0.01
0.1
Sqrt(Kelvin)
1
10
Explorer ev/giorno tutto 2003
predizioni
EXPLORER 2002 >600 P M2
Nautilus 2003 ev giorno
Nautilus 2000-2001 ev/giorno
Solo T > 1 Kelvin
Eventi /giorno distrib integrale
100
Solo T > 1 Kelvin
10
1
0.1
0.01
0.001
0.001
0.01
0.1
Sqrt(Kelvin)
1
10
Sommario e conclusioni(??) eventi
strani nei raggi cosmici
Conclusioni sicure:
• osservato l’effetto dei raggi cosmici sulle antenne a barre
• effetto osservato è sulla barra (non SQUID, Trasduttore ecc)
• segnale >= uguale di quello previsto
• limitazione della sensibilità delle future antenne a barre ==>> Gran
Sasso o altro laboratorio sotterraneo
• utilizzo dei segnali dei raggi cosmici per calibrazione “sul campo” :
risoluzione temporale.., verifica di algoritmi per la ricerca di segnali
(esempio: gamma burst)
Ma…..
Conclusioni (?) e sommario eventi strani
• eventi con energia più grande dell’atteso (o frequenza maggiore)
Possibili spiegazioni:
effetto raggi cosmici
- Pro
a) predizioni errate. Grande incertezza negli eventi attesi, ma non di un
ordine di grandezza. Si sta facendo nuovo calcolo (Cafagna, Battistoni,
Montaruli ).
b) particelle esotiche nei raggi cosmici.. Rivelatori acustici molto differenti
da rivelatori a ionizzazione. Nessuna soglia netta in b. Rivelatori a gas
tipicamente 10-3. Candidati: monopoli, nucleariti... Due candidati
nucleariti trovati come coincidenza tra sismografi. TWO SEISMIC EVENTS WITH THE
PROPERTIES FOR THE PASSAGE OF STRANGE QUARK MATTER THROUGH THE EARTH.By David P. Anderson, Eugene T. Herrin (Southern Methodist U.),
Vigdor L. Teplitz (Southern Methodist U.), Ileana M. Tibuleac (Weston Geophysical),. May 2002. 18pp. e-Print Archive: astro-ph/0205089
Energie in gioco attorno al “knee” dei raggi cosmici, dove si sa succede
qualcosa di strano
Burst event for a present bar: a millisecond pulse, a signal made by a few
millisecond cycles, or a signal sweeping in frequency through the detector
resonances. The burst search with bars is therefore sensitive to different kinds
of gw sources such as a stellar gravitational collapse, the last stable orbits of an
inspiraling NS or BH binary, its merging, and its final ringdown.
Real data: the arrival of a cosmic ray shower on NAUTILUS
Unfiltered
signal (V2)
The signal
after filtering
(kelvin)
Time of arrival
uncertainty ~ 1 ms
Summary of results
1999-2001
This unexpected result was obtained with a
NAUTILUS bar temperature of 0.14 K.
The are no anomalous large signals if the bar
temperature is 1.5 K (above the s.c. transition
temperature).
Raggi Cosmici: il ginocchio
A circa 1015 eV brusco
cambiamento della
pendenza.
Non spiegato
Probabilmente associato a
cambiamento meccanismo di
produzione e o cambiamento
composizione
La maggior parte dei cosmici
visti nelle antenne viene dalla
regione del ginocchio
Conversione termo- acustica
Energia nel modo n approccio semplificato 1
Se sbarra infinitamente sottile e il deposito di energia e’ tra x1 e x2
Equazione delle Onde
Condizioni al contorno a -l/2 e l/2
Soluzione generale:

 2nx 
2
 2(x,t)
2  (x,t)
c
2
t
x 2
 (x,t)
0
x
 2n 1)x   2n 1)ct 
 2nct  
(x,t)   An cos
 cos
   Bn sin
 cos

 l   l  n1
2l
2l

 

n1
Conversione termo- acustica
approccio semplificato 2
Condizioni iniziali
W : energia depositata
A : sezione

x  [x1 ,x2 ]
 (x,t  0 )
W

x
CA(x1  x2 )
C calore specifico
 densità
  x1  x2  
xx
 sin  1 2
 
2Wl
 2 
2l

B0 
cos

CM
l

  x1  x2


2l



Ampiezza modo fondamentale
particella singola x1=x2=x
Sciame distribuito
uniformementex1=-l/2 x2=l/2





 x 
2Wl
B0 
cos 
 l 
CM
2Wl 1
B0 
CM 
Conversione termo acustica
caso generale 3
2
2
2


1 l Gn 2 dE
En 
g  
2
2 V v  dX 
Allega A.M. & Cabibbo N. Lett Nuovo Cim 38 (1983) 263A. De Rujula & B. Lautrup, Nucl Phys. B242 (1984) 93-144
Gn fattore di forma del cilindro e al primo ordine in R/L
( Barish-Liu Phys Rev Lett 61 1988)


 l0 cos  
sin

2




dE

z


2L
Teff  2.75*109    sin 
 dX    L  R cos 


L


Verificata per tracce non assiali e
ordini maggiori in R/L
2
Il parametro di Gruneisen nei
superconduttori 1
Nell' energia libera di un metallo alle basse
temperature e' rilevante il contributo degli elettroni
di conduzione. In particolare, sono allora
prevedibili differenze tra stati normale (n) e
superconduttivo (s) in relazione a volumi,
coeffcienti di espansione termica e calori specifici.
Queste variazioni sono esprimibili attraverso
relazioni termodinamiche che coinvolgono la
dipendenza del campo critico Hc dalla pressione e
dalla temperatura.
Non esistono misure dirette di
g in Al superconduttori
Calore Specifico==> 0
Calore specifico in Alluminio

Y
g
C