Efficiencies of the drift chambers in the EMMA experiment

Abstract

Cosmic rays are high-energy subatomic particles which travel almost at the speed of light all over the space. The shape of the cosmic ray energy spectrum is measured experimentally, but it is not perfectly understood. The slope of the spectrum at high energies is constant up to the knee energy (about 10^15 eV) where the slope steepens. The knee has been tried to be explained by several models which aim to describe the origin and the acceleration mechanisms of the cosmic ray. The stars and the shockwaves from supernova explosions are believed to be at least a part of cosmic ray evolution.

The cosmic rays were found in the early 20th century and they have been studied with several methods. When a primary cosmic particle collides with Earth atmosphere, different reactions create a cascade of secondary particles (air shower) which may be detected on Earth. The EMMA experiment studies the cosmic ray with the knee energy by detecting the muons of air shower. EMMA is operating underground at the depth of 75 meters in Pyhäsalmi mine. The measurement stations are reached only by the muons with 50 GeV thresold energy. The stations are consisted of drift chambers, scintillation detectors and limited streamer tubes. The gas-filled drift chambers form the basis of the experiment. Their operation is based on the gas ionization which causes signals on the electrical wires. One plank is formed of seven drift chambers attached together.

In this work I study the efficiencies of the drift chambers of EMMA. My C++ program evaluates the efficiencies as a function of time and as a function of position by using data measured in calibration runs in the surface laboratory. According to my results the average ”mean top efficiency” (excluding the largest efficiency peaks) of the drift chambers is 76.5 %. The efficiency of the worst plank is 65.4 % and the best 88.1 %. The results’ systematical inaccuracy may be from the method of determining the efficiency and possible fault in data. The random inaccuracy may be from the problems of the measurement system and the method of calculating the mean top efficiency by excluding the efficiency peaks. My results seem to be slightly lower than the others’ results, thus my method of determining the efficiency may be stricter. Actually some efficiency peaks may be explained by the external factors like pressure changes and problems in electronics. The differencies of left and right part of a chamber may be due to the possible problems in grading lines.

Kosminen säteily koostuu korkeaenergisistä subatomisista hiukkasista, jotka liikkuvat avaruudessa lähes valonnopeudella. Kosmisen säteilyn energiaspektrin muoto on mitattu kokeellisesti, mutta sitä ei täysin ymmärretä. Energiaspektrin kulmakerroin on vakio polvienergiaan (n. 10^15 eV) saakka, tässä kohdassa spektrin derivaatta pienenee. Spektrin polvea on yritetty selittää useilla malleilla, jotka pyrkivät kuvaamaan kosmisen säteilyn alkuperää ja kiihdytysmekanismeja. Tähtien ja supernovien shokkiaaltojen uskotaan liittyvän ainakin osittain kosmisen säteily evoluutioon.

Kosminen säteily löydettiin 1900-luvun alussa ja sitä on tutkittu useilla menetelmillä. Primaarisen kosmisen hiukkasen törmätessä ilmakehään syntyy erilaisten reaktioiden kautta sekundaarihiukkasten kaskadi eli ilmakuuro, josta voidaan tehdä havaintoja Maapallolla. EMMA-koe tutkii polvienergian kosmista säteilyä havaitsemalla ilmakuuron myoneita. EMMA:n koeasema sijaitsee Pyhäsalmen kaivoksella noin 75 metrin syvyydessä. Kalliokerroksen läpi koeasemalle pääsevät vain sellaiset myonit, joiden energia on vähintään noin 50 GeV. Koeasema koostuu ajautumiskammioista, tuikeilmaisimista ja limited streamer tube -tyyppisistä ilmaisimista. Kokeen rungon muodostavat ajautumiskammiot, jotka ovat kaasutäytteisiä lankailmaisimia. Niiden toiminta perustuu kaasussa tapahtuvaan ionisaatioon, joka aiheuttaa signaalin sähkölankoihin. Yksi plankki koostuu seitsemästä yhteen liitetystä kammiosta.

Työssäni tutkin ajautumiskammioiden tehokkuuksia. C++-ohjelmani laskee tehokkuudet sekä ajan että paikan funktiona käyttäen mittausdataa, joka on saatu maanpäällisistä kalibraatiomittauksista. Tulosteni mukaan kammioiden keskiteho on 76,5 % (keskiarvon laskemisessa suurimmat tehopiikit on jätetty huomioimatta). Huonoimman plankin tehokkuus on 65,4 % ja parhaan 88,1 %. Tulosteni systemaattinen virhe voi aiheutua tavasta määritellä tehokkuus ja mahdollisesta mittausdatan virheestä. Satunnaisvirheet voivat johtua hetkellisistä ongelmista mittausjärjestelmässä sekä tavasta laskea keskiteho jättämällä huomiotta suurimmat tehopiikit. Tulosteni tehokkuudet ovat hieman pienemmät verrattuna muiden tuloksiin, joten tehokkuuden määrittämistapani lienee vaativampi. Osa hetkellisistä tehokkuuden alentumista voidaan selittää mittausjärjestelmään vaikuttaneilla ulkoisilla tekijöillä, kuten paineen vaihteluilla ja sähkölaitteiden ongelmilla. Kammion vasemman ja oikean puolisen tehokkuuden eroavaisuudet saattavat johtua ongelmista gradinglangoissa.