Astroparticelle - schegge per lo sviluppo della conoscenza...

In realtà non conosciamo nulla, perché la verità sta nel profondo. (Democrito)

 
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25/09/2017
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Introduzione alle AstroParticelle

 

 

Confronto tra diversi sensori di fotocamere (gizmag.com).

 

 

 

 

Altro confronto dimensionale tra sensori.

 

 

 

DECO in funzione su un tablet android.

 

 

Il contatore Geiger indica una cinquantina di conteggi (particelle) al minuto, mentre il sensore del tablet ha visto 8 probabili particelle in quasi un'ora di tempo.

 

 

 

Il libro AstroParticelle

26.09.2013 - Un viaggio scientifico tra i raggi cosmici raccontato attraverso la storia, le invenzioni i rivelatori e gli osservatori; senza trascurare gli effetti che essi producono coinvolgendo numerose discipline scientifiche tra cui astrofisica, geofisica e paleontologia.

Libro

 

 

 

Tracce in un file immagine di DECO (WIPAC Wisconsin Icecube).

 

I cinque eventi di DECO nel test effettuato.

 

 

 

 

App per smartphones android:

Introduzione

Prima di introdurre la nuova app di astroparticelle presentiamo un test di un'altra app che ha fatto il giro di tutti i blog scientifici guadagnando anche qualche pubblicazione su alcune riviste astronomiche:
e.g. http://astrogeo.oxfordjournals.org/content/55/6/6.4.5.extract.

D.E.C.O.

L'applicazione chiamata DECO (Distributed Electronic Cosmic-ray Observatory) è stata sviluppata dal prof. Justin Vandenbroucke dell'Università del Wisconsin come progetto didattico per i suoi studenti. L'idea di utilizzare uno smartphone come rivelatore di radiazioni non è nuova, ma quella di rivelare i raggi cosmici come in un osservatorio a matrici - si potrebbe dire globale - sarebbe davvero rivoluzionaria. Ogni smartphone (almeno di un certo livello) è dotato anche di gps e l'informazione della posizione verrebbe raccolta insieme ai dati del flusso dei raggi cosmici.

Chiaramente l'uscita di questa app essendo legata a i social network ha fatto subito molto scalpore, ci è quindi stato chiesto di indagare più a fondo per capire se questa applicazione possa realmente funzionare.

Il principio di funzionamento

Per chi non lo sapesse, una macchina fotografica digitale, o meglio un sensore ccd o cmos è un buon rivelatore di particelle; i sensori al silicio infatti sono largamente impiegati nei rivelatori di particelle per tracciare il percorso di particelle cariche negli esperimenti di collisione. I foto-astronomi che utilizzano le astro-camere chiamate anche ccd per astronomia, conoscono bene il problema delle tracce lasciate dalle particelle durante le lunghe pose notturne. Il principio di funzionamento di DECO è quindi quello di utilizzare la fotocamera dello smartphone come rivelatore di raggi cosmici.

I dubbi che subito sono scaturiti riguardano due fattori sostanziali:

  1. La dimensione dei sensori
  2. Il problema della coincidenza

1. Gli smartphone di fascia medio-alta hanno un sensore di 15-20 mm2 di superficie (fanno eccezione un paio di costosi Nokia che arrivano a 1cm2); dalla letteratura sui raggi cosmici sappiamo che statisticamente arriva in media un muone al secondo su 10 cm2 di superficie per steradiante. Da esperienze dirette con il progetto ADA (osservatorio per raggi cosmici) sappiamo anche che questa è una stima ottimistica in quanto noi otteniamo una media di 4 particelle al minuto sempre sulla stessa unità di superficie, va considerato anche che il livello di energia di ogni raggio cosmico (muone) è diverso e ogni strumento ha il suo range di energia.


Dimensione fisica di alcuni sensori.

 

Per semplificare e facendo i conti con la statistica che abbiamo con gli AMD5 (progettati per rivelare i raggi comici) e con ADA direi che un telefonino potrebbe vedere 1 muone ogni 12 minuti, questo se il suo sensore fosse costruito per rivelare i raggi cosmici. C'è però il problema della cross-section, cioè l'esile spessore del wafer (lo strato "sensibile") riduce la probabilità che la particella carica rilasci parte della sua energia nel sensore e quindi sia vista, questo farebbe ulteriormente abbassare la statistica, potrebbe cioè essere rivelata una particella ogni mezz'ora e oltre.

2. Il problema indelebile: come si distingue la particella radioattiva cosmica da quella terrestre? Da sempre (a terra) è utilizzato il sistema della coincidenza con minimo due sensori sovrapposti siano essi scintillatori o tubi Geiger-Muller. Le particelle dei raggi cosmici trasportano energie di migliaia di volte superiori rispetto a quelle prodotte da radiazione naturale. Grazie a questa caratteristica le astroparticelle possono attraversare lunghi percorsi anche in densi materiali, mentre le particelle terrestri non ci riescono perchè nell'attraversare la materia perdono energia fino a decadere. Quindi se una particella attraversa un rivelatore composto da almeno due sensori sovrapposti, essa sarà sicuramente di origine cosmica, altrimenti sarà di origine naturale. Per questo bisognerebbe allora impilare almeno due telefonini (inserendo magari una lastrina di piombo tra i due) e misurare la coincidenza, oppure trovare un bravo produttore che costruisca gli smartphone con finalità 'astrofisiche'...


Principio di funzionamento della coincidenza.

 

Si potrebbe ribadire che i raggi cosmici, proprio perchè sono più energetici hanno più probabilità di rilasciare le proprie tracce rispetto a particelle meno veloci, ovvero che il sensore in qualche modo "filtri" solo le particelle cosmiche. La realtà è molto più complicata poichè va considerato il potere di ionizzazione, il tipo di interazione e la velocità. Per esempio il grado di ionizzazione di un muone potrebbe essere inferiore a quello di una particella alfa terrestre.

Il prof. Vandenbroucke comunque conosce bene questi probemi e nella sua app avrà calcolato in termini di probabilità il modo per riconoscere un raggio cosmico da una particella di origine terrestre.

 

 

Le prove di DECO

Per provare DECO abbiamo usato un tablet con sistema operativo android 4.04. La prova seguente può essere seguita da chiunque, basta scaricare l'app (dalla pagina http://wipac.wisc.edu/deco) che è in realtà composta da due app: un data logger (GSW datalogger) e DECO. Prima di farle partire bisogna però schermare la fotocamera del dispositivo con del nastro nero, infatti i raggi cosmici vengono rilevati analizzando le immagini acquisite e la luce non deve entrare nella fotocamera.

Avviate le applicazioni il dispositivo inizia a scattare fotografie in sequenza, circa uno scatto ogni mezzo secondo. Un piccolo bug riscontrato è che non è possibile disattivare l'audio se le applicazioni sono in funzione, quindi per evitare di sentire il click dello scatto è meglio disattivare l'audio prima di avviare le app (il comportamento riscontrato potrebbe essere diverso con altri dispositivi). La prima prova è durata circa un'ora e durante questo tempo non è stato rilevato nessun evento (nessuna particella), il tablet è di fascia economica e il suo sensore fotografico ha una piccola dimensione e questo potrebbe spiegare l'assenza di tracce.


Il primo test con zero particelle contate.

 

La prova successiva è stata quindi quella di "aiutare" il rilevamento utilizzando una sorgente radioattiva, un campione contenente radio 226 è stato messo a diretto contatto con la fotocamera e un contatore Geiger sopra al tablet per assicurarci che le particelle (in questo caso elettroni) attraversassero il dispositivo. Con questo metodo in meno di un'ora DECO ha iniziato a contare - ma di certo non i raggi cosmici - in pratica ha funzionato come un rivelatore Geiger che rivela qualsiasi attività radioattiva, compresa quella cosmica.

 


Il secondo test indica 8 eventi candidati (sospetti) e 5 eventi (particelle).

 

Conclusioni

Riservandoci di fare altri test in futuro con altri dispositivi, possiamo trarre alcune conclusioni, ci sono prima gli aspetti pratici che si possono sicuramente trascurare, ma che vanno segnalati:
-lo smartphone dovrebbe essere relegato all'utilizzo di rivelatore, non potendolo usare per fare altro quando in funzione
-per aumentare la probabilità di registrare eventi andrebbe tenuto in posizione orizzontale.

Un'altra cosa da segnalare è che gli eventi indicati non siamo riusciti a trovarli registrati da nessuna parte, probabilmente il sistema è concepito in modo di inviare i dati su un server in rete, però sarebbe stato sicuramente meglio (anche dal punto di vista didattico) che la app salvasse i dati su un file testuale e sarebbe anche stato bello riuscire a vedere agevolmente le immagini degli eventi fotografati che invece non compaiono. In realtà le immagini riprese dal dispositivo ci sono ma vengono salvate nella cartella: Android/Data/org.globalsensorweb.deco in file aventi un'estensione di tipo ".ser". Per poterle vedere vanno rinominate come .jpg, a quel punto è possibile analizzarle una per una per scovare quelle con le tracce.

A sinistra una traccia di una particella lasciata nel sensore del tablet, l'immagine a destra è la stessa elaborata elettronicamente in cui si evidenzia che le tracce sono due.

Su circa 80.000 campioni (Samples) sono state salvate circa 600 immagini (il rapporto tra campionamento e numero di immagini non è chiaro), per un totale di 50 Mb di spazio su memoria, questa va messo in conto quando si preveda di utilizzarlo a lungo termine.

Per quanto riguarda il funzionamento vero e proprio, la personale opinione di chi scrive è che DECO funziona sicuramente come rivelatore di particelle ma sorgono molti dubbi riguardo all'utilizzo come vero rivelatore di raggi cosmici, o meglio ancora non può funzionare come rivelatore di soli raggi cosmici per i motivi esposti. Il fatto che gli eventi siano comparsi dopo aver messo la sorgente radioattiva a diretto contatto con il tablet fa pensare che sia sensibile solo a radiazione piuttosto dura (almeno in questo test) ovvero a radiazione cosmica parecchio energetica e da un certo punto di vista quest'ultimo potrebbe essere un punto a suo favore.

In conclusione la valutazione di DECO è assolutamente positiva sia per quanto riguarda l'idea, che è sicuramente di grande interesse, sia per il valore didattico, come nella realizzazione della app stessa che coinvolge anche l'analisi dei file immagine. Inoltre sono lieto di pensare di avere sempre a portata di mano un potenziale rivelatore di raggi cosmici. Non ci resta che attendere qualche anno per vedere sicuramente nascere degli sviluppi simili e magari utili a livello scientifico.

Marco Arcani

 

 

 

La app di astroparticelle per il progetto ADA.

 

Screenshot:

 

 

 

 

 

 


 

La app di astroparticelle per A.D.A.

Veniamo finalmente alla presentazione di questa app che è sicuramente meno ambiziosa ma che può essere e sarà un supporto al progetto ADA. Per chi non conosce l'esperimento ADA è invitato a leggere la pagina dedicata o l'articolo pubblicato su Nuovo Orione di Novembre 2014.

L'utilità (per così dire) di questa applicazione è di avere sempre con se i dati del proprio rivelatore e se possibile qualcosa in più. Al momento l'applicazione riporta le medie dei dati dei rivelatori connessi con ADA, ma vista la positiva 'espansione' del sistema, in un breve futuro l'idea è di utilizzare questi dati per informare tempestivamente gli utenti dell'osservatorio di astroparticelle ADA in caso di eventi UHECR o per fare previsioni, ad esempio prevedere attività solari tramite l'effetto Forbush, una sorta di space weather dedicato.
Nella app sono stati inseriti anche alcuni collegamenti con i siti di tutto il mondo che trattano di astroparticelle, compreso il collegamento ai grafici riportati da ADA visualizzabili tramite il browser del proprio dispositivo mobile.

L'applicazione sarà aggiornata costantemente anche in previsioni di due nuovi rivelatori che presto si aggiungeranno all'array di ADA.

 

 l'app per android sui raggi cosmici relativo al progetto ADA

Per scaricare l'app cliccare sull'immagine.

 

Durante l'installazione verrà richiesto di installare AIR (di Adobe) per android se non presente nel sistema.

 

Funzionamento

L'accesso ai dati si ottiene cliccando sul logo tondo di ADA e nella schermata seguente sul tasto Muons Monitor, gli altri pulsanti rimandano a collegamenti via browser.

 

  • 11.01.2015 - inserita la data (hh:mm:ss:gg:mm:aa) relativa alla media e all'ultimo aggiornamento, inserite le immagine del Sole in Uv multibanda (SDO) raggi X (GOES NOAA) e visibile (SOHO)
  • 16.01.2015 - aggiunte gestualità touch (zoom e spostamento a due dita)
  • 24.01.2015 - aggiunto campo per altro rivelatore e grafico con l'andamento dei raggi cosmici (per ora sul rivelatore principale in seguito su tutto l'array) aumentato tempo di refresh a 4 minuti.
  • 7.02.2015 - inseriti i dati giornalieri, eliminato il tempo di refresh.

 

work in progress...

 

 

 

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