Al fine di poter analizzare correttamente il set di dati raccolti è necessaria la cono- scenza dell’intervallo di tempo (esposizione) durante il quale ogni settore angolare di cielo era ”osservabile” dall’apparato durante il periodo di presa dati. In base alla posizione geografica del detector, infatti, solo alcune porzioni di cielo sono sempre, o in parte, visibili nel tempo. In questa sezione verrà illustrato il metodo in cui viene determinata l’esposizione del detector, la funzione che dà una misura della copertura del cielo, nel sistema di riferimento equatoriale.
L’esposizione dipende sia delle caratteristiche geometriche del detector sia dell’ef- fettivo periodo di presa dati; in particolare, data una direzione del cielo (α,δ) in coordinate equatoriali, l’esposizione è data dal prodotto dell’area efficace esposta
4.6 Calcolo dell’esposizione 79
Figura 4.14. Distribuzioni settimanali in cos θ relative al mese di Gennaio 2010, normaliz- zate al valore medio di eventi nella rispettiva settimana. I valori sull’asse rappresentano l’inverso dei pesi che vengono applicati come correzione. In basso i rispettivi scarti di ognuna delle quattro settimane rispetto alla distribuzione media.
al flusso di raggi cosmici provenienti da quella direzione, per l’intervallo di tempo in cui la direzione (α,δ) è ”visibile” del detector. In questo caso con ”visibile” si fa riferimento al campo di vista del detector, definito dal massimo dell’angolo di zenit
θmax, entro il quale le tracce possono essere ritenute ricostruite in modo corretto e
soddisfacente.
Una formula generale per il calcolo dell’esposizione è data da:
ω(α, δ) =
�
dt· A(θ, φ, t) · �(θ, φ, t) · H(θmax− θ) (4.2)
dove A(θ, φ, t) rappresenta l’area del detector ”vista” dalla direzione (θ,φ) al tempo t, mentre �(θ, φ, t) rappresenta l’efficienza di ricostruzione dell’apparato per la specifica direzione d’arrivo e ad un determinato tempo t. H(x) rappresenta la funzione di Heaviside, che vale 1 per θ < θmax e 0 altrimenti. L’integrale è quindi esteso al
tempo effettivo di presa dati. Come si può osservare dalla 4.2, l’integrale è funzione degli angoli di zenit θ e di azimuth φ, che definiscono il sistema di coordinate locali, o orizzontali . Per ottenere i valori di A ed �, e quindi dell’esposizione, nel sistema delle coordinate equatoriali (α , δ) occorre ricorrere ad una trasformazione di coordinate dato dal sistema:
θ(α, δ, t) = arccos(sin δ sin β + cos δ cos β cos h(α, t)) φ(α, δ, t) = arctan
� cos δ sin h(α, t)
cos δ sin β cos h(α, t) − sin δ cos β
� (4.3)
in cui δ è la latitudine geografica del detector e h è l’angolo orario, definito come
h= LMST − α, con LMST il tempo siderale locale medio.
La struttura geometrica del detector, vedi Sezione 3.8, porta ad avere un volume efficace a forma di cilindro. La simmetria cilindrica nel sistema di riferimento locale, (θ,φ), permette di rimuovere la dipendenza dell’esposizione dell’angolo di azimut semplificandone il calcolo. Questo è possibile soprattutto grazie alla correzione della distribuzione dell’angolo di azimut, senza la quale, a causa della natura granulare del detector, si avrebbe l’effetto di modulazione mostrato in Figura 4.9.
La correzione apportata alla distribuzione in cos(θ) permette invece di eliminare dal calcolo della 4.2la dipendenza dall’angolo di zenit, θ. Tale correzione, infatti, ha lo scopo di ricostruire la distribuzione dei RC primari, piatta in cos(θ), a partire dalla distribuzione dei muoni secondari rivelati dal detector, ed ingloba al suo interno il calcolo dell’area efficace, Aef f(θ, t) = A(θ, t) · �(θ, t), limitando così il calcolo della
4.2alla sola determinazione della funzione H(θ):
ω(α, δ) = � dt· H(θmax− θ(α, δ, t)) (4.4) H(θ) = � 1 per θ < θmax 0 per θ > θmax (4.5) Per valutare la funzione H occorre studiare come varia nel tempo la prima equazione del sistema 4.3, che possiamo riscrivere come
4.6 Calcolo dell’esposizione 81 La dipendenza temporale dell’angolo di zenit è legata all’angolo orario h. Poiché h varia nell’arco di una giornata tra 0 e 2π, e quindi cos h tra −1 e 1, si può scrivere sin δ sin β − cos δ cos cos β ≤ cos θ(t) ≤ sin δ sin β + cos δ cos cos β (4.7) ovvero, applicando semplici relazioni trigonometriche
− cos(α + β) = cos(δ + β + π) ≤ cos θ(t) ≤ cos(δ − β) (4.8) A questo punto, data una direzione di vista (α,δ) e fissata la latitudine δ, é possibile distinguere tre differenti casi:
1. La direzione di vista non giace mai all’interno del campo di vista del detector. Per qualsiasi valore di t, infatti, si ha sempre θ > θmax( e quindi cos θ < cos θmax),
condizione che si realizza se |δ − β| > θmax. In questo caso il valore della funzione
H, e quindi dell’esposizione è sempre nulla.
2. La direzione di vista giace sempre all’interno del campo di vista del detector. Questo caso descrive la situazione opposta rispetto al caso precedente, e si realizza quando θ ≥ θmax ( e quindi cos θ ≥ cos θmax), da cui si ottiene |δ + β| ≥ π − θmax.
In questo caso la funzione H vale sempre 1.
3. La direzione di vista giace solo per parte della giornata nel campo di vista del detector.
In questo caso nessuna delle due condizioni descritte in precedenza viene soddi- sfatta:
|δ − β| ≤ θmax< π− |δ + β| (4.9)
Fissando quindi una qualsiasi direzione (α,δ), ed integrando la 4.4 nell’intervallo di tempo corrispondente all’effettivo periodo di presa dati è possibile ottenere l’esposizione per quella determinata direzione. A questo punto, al fine utilizzare nel modo corretto l’esposizione per il set di dati in analisi, occorre distinguere due casi. Nel primo caso il set di dati è caratterizzato da un intervallo di tempo di integrazione continuo, ovvero senza buchi temporali, e che abbia una durata T che sia un multiplo intero di un giorno (T = n · 24 h). Questo permette di coprire in maniera temporalmente uniforme tutta la sfera celeste ”visibile” dal detector, e di poter ricostruire il reale flusso di RC originario.
Nel secondo caso, invece, il set di dati è riconducibile ad un’esposizione del detector alla sfera celeste non uniforme nel tempo, in cui si alternano in modo discontinuo di brevi periodi di acquisizione e ”buchi temporali”. In questo caso non è possibile ricostruire la reale mappa del cielo e il flusso di RC come per il precedente, ma è solamente possibile ottenere le rate di eventi osservati per una data direzione. L’esposizione per un set di dati con queste caratteristiche va ulteriormente corretto utilizzando degli appositi pesi definiti come
W(α, δ) = w(δ)
w(α, δ) (4.10)
dove w(α,δ) è il valore dell’eposizione per la direzione (α,δ), e w(δ) è il valore medio dell’esposizione lungo la fascia di declinazione δ:
w(δ) =
� 360
(a) (b) (c)
Figura 4.16. (a) Esposizione calcolata per il run 48141, iniziato alle 09:42:36 del 20/04/2010 e di durata 1h 62min 27s.(b) Esposizione totale data dalla somma delle esposizioni calcolate per tutti i 7288 run selezionati per l’analisi. Il tempo totale dell’esposizione è pari a 1’248’638 minuti (circa 867 giorni).(c) Pesi relativi alla mappa nel pannello (b) definiti come nell’equazione4.10.
4.7 Analisi dell’anisotropia 83