RICERCA ITALIANA     

Sviluppo di un rivelatore di radiazione di transizione a stato solido per l'identificazione di particelle nella fisica dello spazio e degli acceleratori

Università degli Studi di Bari

Abstract

In questo programma di ricerca si svilupperà una tecnica innovativa per l'identificazione di particelle di alta energia tramite rivelatori di radiazione di transizione (TRD) in esperimenti nello spazio e presso acceleratori. Una discussione dettagliata di questa tecnica è presentata nella sezione 2.2 di questa proposta.
In molti esperimenti, sia di fisica delle alte energie (ALICE, ATLAS, …) che di astrofisica delle particelle (AMS, PAMELA…), si è fatto uso sinora di TRD equipaggiati con "straw tubes" per identificare elettroni o positroni rispetto agli adroni di fondo nel range di impulso del centinaio di GeV/c. Questo approccio si è dimostrato molto promettente specialmente negli esperimenti nello spazio per la ricerca di antimateria nello stesso range di impulso, dove i TRD sono integrati con calorimetri "granulari" (17).
Sinora si sono usati sempre contatori gassosi per rivelare i raggi X della radiazione di transizione prodotta da particelle ultra-relativistiche in fogli di materiali leggeri ("radiatori"). Tuttavia, tali rivelatori possono non essere molto adatti a missioni spaziali, in quanto possono subire danni in seguito alle vibrazioni che si verificano durante il decollo del vettore ed il loro uso può essere limitato nel tempo per via delle perdite di gas. Gli straw tubes sono in fase di impiego nelle prossime missioni, perciò quindi non sono ancora stati testati in una missione di lunga durata, sebbene abbiano superato i test di qualificazione spaziale.
Noi proponiamo di utilizzare dei rivelatori a stato solido, cioè rivelatori a microstrisce di silicio (SSD). Questi rivelatori sono duraturi, leggeri, non richiedono manutenzione, hanno buona resistenza alle radiazioni, e sono già stati impiegati con successo in applicazioni spaziali (19). Nei rivelatori gassosi il segnale dei raggi X è equivalente al segnale prodotto da una particella ionizzante. Pertanto, tramite misure multiple con moduli in cascata, è possibile distinguere i segnali della particella primaria da quelli del fotone. Quando si usa un tipico SSD, la perdita di energia per ionizzazione è circa 10 volte maggiore dell'energia media dei raggi X, e diventa necessario separare la particella dai fotoni per mezzo di un campo magnetico, in modo da raccogliere due segnali spazialmente separati. In questo caso non occorrono più rivelatori dotati di serbatoi e di sistemi di ricircolo di gas, con una notevole riduzione di peso dell'apparato, importante per missioni spaziali di lunga durata. Un ulteriore vantaggio di questa soluzione è che gli stessi piani di silicio usati nello spettrometro magnetico, che è sempre presente nell'apparato, possono essere usati per la rivelazione della radiazione X, purchè si inseriscano opportunamente dei radiatori tra i piani.
Le stesse considerazioni valgono per esperimenti su acceleratori, dove spesso un campo magnetico è presente nella stessa regione dove è richiesto un rivelatore o un TRD per l'identificazione di particelle: con questa soluzione da noi proposta la stabilità delle condizioni di lavoro rispetto alla temperatura ed alle variazioni nella composizione del gas di un rivelatore gassoso, unita ad una buona capacità di tracciamento offre un reale vantaggio.
Alcuni moduli(da uno a tre) radiatore-SSD funzionanti in un campo magnetico sono stati costruiti e testati in un fascio di basso impulso (1-5 GeV/c) per dimostrare la fattibilità di questa tecnica.
In questo programma di ricerca e sviluppo, partendo da questi studi di fattibilità, si intende realizzare un rivelatore TRD basato su una sequenza di radiatori e SSD, equipaggiato con un'elettronica veloce e a basso rumore, allo scopo di ottenere nel range del centinaio di GeV/c i tipici fattori di reiezione (0.1%) dei TRD convenzionali come ora richiesto nella fisica spaziale e negli esperimenti con acceleratori. Il fattore di reiezione misura la contaminazione della particella di fondo (per esempio 0.1%) nel campione di quella selezionata al 90% di efficienza. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Paolo SPINELLI Università degli Studi di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo di questo programma di ricerca e sviluppo è quello di progettare e costruire un rivelatore di radiazione di transizione(TRD) innovativo in grado di identificare elettroni ed adroni fino a 300 GeV/c di impulso, e possibilmente nuclei di alto Z, utilizzando un campo magnetico. Le tecniche tradizionali per la rivelazione della radiazione di transizione (TR) consistono nella misura della somma dell'energia di ionizzazione della particella primaria e di quella rilasciata dai fotoelettroni prodotti dai raggi X di TR nei moduli del rivelatore. La particella radiante, se non deflessa da un campo magnetico, rilascia energia per ionizzazione nella stessa regione in cui vengono convertiti i raggi X di transizione, introducendo il tal modo un segnale di fondo. Tagli opportuni o analisi di likelihood sul rilascio in carica consentono di separare particelle radianti da particelle non radianti (si veda la sezione 2.2 a tale proposito). Gas ad alto Z vengono comunemente impiegati per la rivelazione dei raggi X.
Misure dirette di spettri di TR sono state effettuate utilizzando diodi di silicio drogato con ioni di Li: un intenso campo magnetico separava la particella radiante dai fotoni X che venivano raccolti sul rivelatore posizionato ad alcuni metri a valle del magnete [C.W.Fabjan,Nucl.Instr.Meth.146,343(1977)].
Con lo sviluppo dei rivelatori di silicio a microstrip (SSD) con un passo di alcune decine di micron, questa tecnica può essere usata con un campo magnetico molto meno intenso e su distanze molto più brevi. I fotoni X possono essere rivelati in corrispondenza di una strip separata da quelle interessate dalla particella. In questa situazione il fondo deriva dal solo rumore elettronico del canale di lettura. Un prototipo basato su alcuni moduli (da uno a tre) di radiatore-rivelatore immerso in un campo magnetico è stato implementato dal nostro gruppo ed è stata studiata la fattibilità di questa tecnica con un fascio di elettroni e pioni di basso momento (1-5 GeV/c) [32-37]. Il problema cruciale di questo studio è stato la rivelazione di un segnale di 3-10 KeV da TR su un fondo medio di 0.8 KeV dovuto al rumore elettronico dei canali di lettura del rivelatore. Nel nostro caso la separazione spaziale tra il segnale del fotone di TR e il segnale della particella ionizzante primaria è stata di 130 strip (passo 25 micron) a 2 GeV/c di impulso, mentre a 40 GeV/c di momento questa è stata stimata essere di 6-7 strip. La limitazione di questa tecnica è la minima separazione rivelabile che nominalmente è dell'ordine di tre strip dovuta alla diffusione dei portatori prodotti nel silicio dalla conversione del fotone e dalla ionizzazione della particella.
In questo programma si intende progettare, costruire e testare un TRD basato su un insieme modulare di strati di radiatore alternati a strati di SSD in campo magnetico (sino a 1 T m di potere deflettente) per identificare elettroni ed adroni utilizzando fasci fino a 300 GeV/c di impulso. Si intende anche studiare la possibilità di identificare nuclei ad alto Z con lo stesso tipo di tecnica.
1. Descrizione del rivelatore
Il rivelatore consisterà di un gruppo da quattro a otto radiatori consecutivi intervallati da altrettanti SSD. Esso verrà immerso in un campo magnetico convenzionale dipolare. La distanza tra ciscuna coppia radiatore-rivelatore sarà tra 10 e 40 cm in funzione dei risultati delle simulazioni che saranno eseguite preliminarmente al fine di ottimizzare le prestazioni del TRD (sezione 2.4 della proposta).
Una simulazione completa infatti verrà implementata per sviluppare il progetto del rivelatore. La simulazione si baserà sul codice GEANT 4 includendo i processi di produzione di TR.
Radiatori in fibra di carbonio e polipropilene di 50-100g/l saranno testati e ne verrà ricavata lo spessore ottimale. Si avrà cura di non aumentare significativamente lo scattering multiplo lungo la traiettoria della partcella primaria mantenendo lo spessore complessivo del rivelatore al di sotto del 4% di lunghezza di radiazione, al fine di preservare al meglio il potere di tracciamento dell'intero sistema. I moduli di SSD consisteranno di un doppio rivelatore singola faccia a passo 25 µm e stesso passo di lettura. Le strip saranno orientate ortogonalmente lungo le due direzioni x e y. Lo strato di silici sarà spesso 300 micron e avrà una superficie attiva dell'ordine di 10 x 10 cm2.
Ciascun SSD sarà equipaggiato con chip di lettura basati sulla tecnologia VLSI CMOS che intendiamo sviluppare per questa applicazione. Uno studio accurato sarà dedicato allo sviluppo del preamplificatore per ridurre al meglio il rumore in ingresso (ENC minore di 250). La digitizzazione del segnale sarà realizzata con ADC.
Una coppia di SSD sarà posta di fronte al magnete per migliorare la ricostruzione della traiettoria della particella incidente. Un ulteriore coppia di moduli di SSD posta invece a valle del magnete assolverà alla funzione di ricostruire la traiettoria della particella deflessa e a identificare il punto di conversione del fotone di TR.
L'intero rivelatore sarà assemblato in una struttura in alluminio ad alta precisione per consentire un accurato posizionamento dei rivelatori e permettere anche di alloggiare l'elettronica. La struttura e l'assemblaggio saranno progettate in modo da rispettare le prescrizioni di qualificazione spaziale della NASA, su cui abbiamo esperienza consolidata attraverso la preparazione dell'esperimento GLAST (ricerca di raggi gamma nello spazio su satellite NASA).

2. Descrizione del test sul rivelatore
Il TRD sarà testato con un fascio di particelle di alto impulso (fino a possibilmente 300 GeV/c) al fine di verificarne la capacità di identificazione di particelle ovvero il fattore di reiezione di elettroni contro adroni e tra pioni ed altri adroni. La linea del fascio sarà equipaggiata con contatori Cerenkov e con un calorimetro a vetro-piombo a valle dell'apparato per identificare con alta efficienza gli elettroni del fascio. Sulla base dello studio di fattibilità del progetto a bassi impulsi, abbiamo valutato che con un potere di deflessione di 0.15 T m ed il passo adottato di lettura di 50 micron si possa ottenere un'affidabile identificazione di particelle fino a 40 GeV/c con un solo modulo di TRD, come dettagliato nella successiva sezione 2.2.
Adottando un passo di lettura pari a quello delle strip (25 micron), aumentando opportunamente il potere di deflessione, ed insieme il numero delle coppie radiatore-rivelatore, noi intendiamo spingere l'intervallo di impulso fino alla regione delle centinaia di GeV/c ed incrementare l'efficienza di rivelazione dei raggi X facendo affidamento su misure con moduli TRD consecutivi. Difatti ad alti impulsi, quando l'angolo di separazione tra la particella primaria ed il raggio X diviene minore, fotoni che non convertono nel primo modulo di TRD (10-20% del totale) possono convertire nei successivi piani risultando ancora più separate dalla particella radiante. Misure complete finalizzate allo studio delle prestazioni dell'intero TRD in termini di fattore di reiezione verranno effettuate, facendo variare l'impulso delle particelle primarie, la distanza tra radiatore e SSD, la composizione del radiatore stesso, e il potere deflettente del magnete. Si intende con queste misure giungere alla definizione di un rivelatore compatto della lughezza di circa 1 m con un numero di piani di TRD ottimale.
La corrente di perdita e il livello di rumore dei canali di elettronica degli SSD saranno monitorati in funzione dell'irraggiamento al fine di garantire una efficiente rivelazione dei raggi X molli di più bassa energia (3keV) in presenza delle dosi tipiche attese (ordine della decina di krad).
Infine il TRD sarà qualificato per lo spazio esponendo il prototipo finale ad una serie di verifiche dinamiche e termiche in accordo con le prescrizioni generali NASA. <<<

Risultati parziali attesi

Nell'ambito di questa prima fase si svilupperanno le simulazioni con GEANT 4 per ottimizzare il progetto del rivelatore. In particolare si otterrà una parametrizzazione della risposta elettronica dei silici, mentre la simulazione in GEANT 4 produrrà la valutazione della suddivisione di carica tra le strip interessate dalle particelle incidenti e terrà conto della produzione di raggi X per radiazione di transizione. Si produrranno dei run simulati di elettroni e pioni su fascio a momento variabile tra 1 e 300 GeV/c e saranno analizzati i dati per valutare il potere di reiezione dello strumento, ottimizzandone la geometria. Inoltre il tipo di radiatore sarà individuato dall'analisi dei dati di Monte Carlo. Questi risultati saranno ottenuti dall'unità del Politecnico di Bari (POLIBA). L'unità di Trieste (UNITS) svilupperà la simulazione per l'identificazione di nuclei ad alto Z (sino a Z=26) tramite radiazione di transizione.
L'unità di Udine (UNIUD) in questa fasa coadiuverà POLIBA realizzando tools d'interfaccia ad un database di geometrie del rivelatore, che permeterà una più agevole modifica della geometria e caratteristiche del rivelatore. UNIUD svilupperà l'event display sia per il Monte Carlo che successivamente per l'online, il tutto in ambiente di programmazione C++ e le procedure di ricostruzione tracce.
UNIUD definirà infine una procedura di riconoscimento degli eventi basata sull'utilizzo di reti neurali in alternativa alla procedura definita da POLIBA.
Congelato il progetto del rivelatore, questo sarà realizzato dalla Unità di Bari (UNIBA). Saranno pertanto scelti i wafer di SSD e collegati per ottenere la superficie attiva di progetto. Saranno realizzati i pitch-adapter (POLIBA) e l'elettronica di front-end (UNIBA). Sarà stabilito attraverso il progetto dell'elettronica di front-end il rumore (si ritiene di ottenere un ENC minore di 250). Saranno eseguiti sugli SSD test elettrici (UNIBA). Saranno realizzati gli ADC secondo le caratteristiche di progetto e qualificati anch'essi per lo spazio. Il supporto meccanico sarà ancora qualificato per lo spazio dall'unità di Napoli (UNINA).
Saranno realizzati i radiatori da UNIBA in base alle simulazioni.
UNITS metterà a punto oltre ad un calorimetro al vetro piombo, anche un calorimetro "imaging" a silicio di sezione equivalente al TRD per il "tagging" delle particelle del fascio per i test.In questa seconda fase il TRD sarà installato su fascio di elettroni ed adroni al CERN da tutta la collaborazione e sarà testato a momenti variabili tra 1 a 300 GeV/c. Qualora non fosse possibile avvalersi di fasci con momenti così elevati, o non fosse possibile avvalersi delle facilities del CERN, il gruppo potrà avvalersi dell'acceleratore di SLAC, ove per la preparazione dell'esperimento GLAST, può disporre di facilities adeguate anche per questo test. In tal caso si scalerà la risposta del rivelatore riducendo il valore del potere deflettente del magnete in modo tale da simulare la configurazione di più alto momento. Per riprodurre la risposta degli adroni, qualora non si disponga di tale fascio, ma solo di un fascio d'elettroni, gli addetti ai lavori sui TRD utilizzano la prassi di rimuovere i radiatori dall'apparato e sostituirli con materiali amorfi ma della stessa composizione e densità. In tal caso non viene prodotta radiazione di transizione ma solo background praticamente identico a quello degli adroni, purchè l'impulso utilizzato non faccia superare loro la soglia di emissione di TR. Per stimare la capacità di discriminazione tra vari adroni ad alto impulso, si possono utilizzare sempre elettroni di momento inferiore, ma che abbiano lo stesso fattore gamma di Lorentz degli adroni in modo tale da riprodurre le stesse caratteristiche di emissione di TR di questi (quindi per esempio, per riprodurre il comportamento "radiativo" di un pione di 280 Gev/c o di un kaone di circa 1 TeV/c, basta utilizzare un elettrone di 1 GeV/c). Per i nuclei ultra-relativistici si può ottenere il rilascio per ionizzazione e la TR nel rivelatore scalando con il qaudrato di Z la risposta degli elettronia parità di fattore gamma.
Nella fase preliminare delle misure saranno testati i radiatori per stabilirne sperimentalmente il materiale delle fibre e lo spessore ottimale.
Ci si aspetta che il fattore di reiezione sia dell' ordine di 0.1% al 94% di efficienza di accettazione degli elettroni con quattro moduli di radiatore - SSD sino a circa 80 GeV/c, in base ad estrapolazioni ottennibili dal test di fattibilità citato prima, con potere di deflessione magnetico equivalente. A momenti più elevati saranno necessari almeno otto moduli con radiatori più sottili, per usufruire del contributo dei fotoni di TR rivelati nel SSD successivo al modulo di produzione che sarà pertanto spazialmente più separato dalla traccia carica. Il potere di deflessione del campo magnetico, per mantenere la lunghezza dell'intero TRD entro il metro circa deve essere aumentato di un fattore probabilmente da 3 a 6, in base agli esiti delle simulazioni e per poter raggiungere 0.1% di fattore di reiezione.
UNIUD parteciperà in questa fase realizzando un sistema di acquisizione su sistema operativo Linux e occupandosi dell'analisi in linea dei dati del test beam. Inoltre inserirà l'event display precedentemente realizzato nei programmi di acquisizione on-line e fornirà l'analisi on-line basata su reti neurali.
Tutta la collaborazione eseguirà l'analisi dei dati.
Il TRD sarà quindi qualificato per lo spazio e sottoposto ai test termici e di vibrazione. In base alla nostra attuale esperienza riteniamo che il problema più critico sarà quello della della stabilità meccanica dell'elettronica associata al rivelatore, sulla configurazione ed assemblaggio della quale ci adopereremo con particolare attenzione. Durante questi test sarà possibile intervenire e modificare la meccanica di assemblaggio. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'identificazione delle particelle è stato sempre uno degli aspetti più importanti negli esperimenti di fisica o astrofisica delle alte energie, specialmente in quest'ultimo periodo. I problemi sperimentali sollevati dalla più recente fisica agli acceleratori pone limiti stringenti sui rivelatori stessi a causa di alti flussi, di fondi elevati e per la complessità degli stati finali. Ci si aspetta peraltro che la fisica dopo LHC (VLHC?) richieda misure di precisione e tecniche accurate di identificazione di particelle (specialmente leptoni. La fisica dei raggi cosmici richiede per questo scopo in alcuni casi dispositivi semplici, ma precisi e affidabili, che possano essere utilizzati nello spazio, o apparati di grandi dimensioni e di elevata stabilità per laboratori di superficie o sotterranei. Un rivelatore ormai molto diffuso per l'identificazione di particelle ultra-relativistiche si avvale della radiazione di transizione (TR) emessa da queste in situazioni particolari.
Sin dal primo articolo di V.L.Ginzburg e I.M. Frank del 1946, è stato fatto un grande lavoro nello sviluppo della teoria della TR, con molte ed ampie rassegne che possono aiutare il lettore interessato ad approfondire gli aspetti teorici e sperimentali (24) dell'argomento.
In questo programma di ricerca ci si occuperà della identificazione di particelle di alta energia per mezzo di rivelatori di radiazione di transizione (TRDs) implementati attraverso una tecnica non ancora convenzionale, ma molto promettente per applicazioni spaziali e per la fisica con acceleratori.

1.Generalità dei TRDs
La rivelazione della TR fornisce un metodo non distruttivo per l'identificazione di elettroni ed adroni ad alte energie, laddove misure mediante rivelatori Cerenkov sono poco affidabili. La TR consiste in raggi X molli (da qualche KeV a qualche decina di KeV) emessi quando una particella ultra-relativistica attraversa la superficie di separazione fra due mezzi con differente costante dielettrica. La TR totale emessa oltre a crescere con il fattore gamma di Lorentz della particella è proporzionale al quadrato della sua carica, e quindi reca un'importante informazione sul suo valore di Z.
Un tipico TRD è costituito da strati multipli di "radiatore", intervallati da camere proporzionali per la rivelazione dei fotoni di TR. Il radiatore di solito è costituito da qualche centinaio di fogli di plastica (15-30 micron di spessore) spaziati regolarmente (passo tipico circa 200 micron), o da lastre di schiuma di polietilene, o ancora da cuscini riempiti di fibra di carbonio o polipropilene. L'emissione di TR dei più comuni radiatori inizia a circa 0.5 GeV/c di impulso per gli elettroni (circa 100 GeV/c per i pioni) e satura a qualche GeV/c (qualche centinaio di GeV/c per i pioni). La figura di merito che meglio descrive il potere di discriminazione fra particelle di un TRD è il "fattore di reiezione" R. Si definisce fattore R per due diverse particelle, ad esempio elettrone e pione, il rapporto delle efficienze raggiunte dal TRD nella loro rivelazione. In genere l'efficienza della particella che si intende accettare, ad esempio l'elettrone, è fissata al 90%: quindi R fornisce la frazione di particelle indesiderate (pioni), erroneamente identificate come elettroni(contaminazione da pioni ), quando un taglio per cui l'efficienza per gli elettroni è del 90% sia stato applicato alle distribuzioni dei segnali delle due particelle.
Si è sperimentato che per mantenere il valore di R al disotto di 1%, la lunghezza del totale rivelatore deve essere dell'ordine di 50 cm. Per ottenere risultati migliori, quali R =0.1%, la lunghezza deve essere aumentata a circa 1 m, compatibilmente con le limitazioni dovute alle dimensioni dell'apparato.
Quando si progetta la struttura modulare radiatore - rivelatore, bisogna porre particolare attenzione al materiale ed allo spessore del rivelatore. Rivelatori tipici per TRD sono contatori proporzionali a gas, che garantiscono un rilascio ridotto di energia per ionizzazione della particella primaria; al fine di rivelare efficientemente raggi X di circa 10 KeV, è necessario utilizzare gas xeno (circa 10 mm di spessore di rivelatore), e metano o CO2 come "quencher".
In applicazioni recenti, sono stati studiati rivelatori gassosi del tipo "straw tubes", poiché sono robusti, affidabili e possono lavorare con perdite relativamente basse, e quindi utilizzabili con più ridotte riserve di gas per periodi lunghi.

2.Tipiche applicazioni dei TRD
Attualmente in esperimenti della fisica della alte energie (ALICE, ATLAS,…) e in esperimenti spaziali di astrofisica (AMS, PAMELA,…), i TRD equipaggiati con "straw tubes" sono largamente utilizzati per identificare elettroni o positroni in un fondo di adroni in un intervallo di momento di alcune centinaia di GeV/c. Questa tecnica si è rivelata molto promettente specialmente in esperimenti spaziali per la ricerca di antimateria nello stesso intervallo di momento, insieme a calorimetri ad alta granularità (17). Per gli esperimenti agli acceleratori, il potere di reiezione contro adroni ottenuto tende a 0.1%, mentre in esperimenti di astrofisica, dove spesso le dimensioni degli apparati utilizzati sono ridotte, questo fattore è dieci volte peggiore.
Una applicazione recente e molto promettente del TRD è la selezione di particelle di differente massa in un fascio di adroni con elevato fattore di Lorentz (sino ad 8000), con possibilità di fornire un segnale rapido di identificazione che possa essere utilizzato come trigger di primo livello per l'acquisizione di eventi (21). Questa tecnica può efficacemente sostituire i più comuni rivelatori Cerenkov che cominciano ad essere critici già ad alcune centinaia di Gev/c, specialmente in quei casi in cui lo spazio a disposizione sulla linea di fascio è abbastanza ridotto (qualche metro).
Sono stati condotti differenti studi su prototipi ed effettuate misure con fasci di elettroni ed adroni al CERN (21) e al Fermilab (D. Errede et al., N.I.M. A 309(1991) 366): sulla base dei risultati ottenuti si è mostrato che è possibile separare ("taggare") rapidamente elettroni da pioni a partire da 1 GeV/c di momento, ed è stato oggetto di discussione la possibilità di separare nello stesso modo pioni da protoni tra 250-500 GeV/c al livello del 1% di contaminazione.
Inoltre da qualche anno i TRD sono stati anche proposti ed impiegati in esperimenti di fisica delle astroparticelle per rivelare nello spazio nuclei ad alto Z nel range del TeV/nucleone, ma ancora per missioni di pochi giorni data la complessità degli apparati implementati (P.Swordy, Phys. Rev.D, 42,(1990) 3197). Per la prossima generazione di tali esperimenti (ACCESS, CREAM, TRACER) proposte e studi di fattibilità si concentrano sull'impiego di TRD, cercando di estendere il range di momento analizzato e il valore di Z del primario, ma sempre con tecniche convenzionali (D.Mueller, "TRDs in Particle Astrophysics", "TRDs for the 3rd Millennium", II Workshop on advanced TRDs, Bari,4-7 Sett.2003, Nucl.Instr.Meth. A 522(2004))

3.Proposta di una tecnica innnovativa per realizzare un TRD
Come è stato sottolineato in precedenza, generalmente per la rivelazione dei fotoni di TR vengono utilizzati rivelatori gassosi. Tuttavia questi possono non essere indicati per missioni spaziali poiché possono subire danni da shock durante il decollo del vettore, ed il loro uso potrebbe essere limitato ad un breve periodo di tempo a causa delle perdite di gas. Gli "straw tubes" sono ora in fase di sperimentazione in tale contesto, ma non sono mai stati impiegati in missioni spaziali di lungo periodo, sebbene abbiano passato tutti i test di qualificazione spaziale dinamici e termici.
Si propone, per la prossima generazione di applicazioni spaziali e presso gli acceleratori, di usare rivelatori a stato solido, cioè rivelatori a strip di silicio(SSD), poiché sono duraturi, molto leggeri, non necessitano manutenzione, sono abbastanza resistenti alle radiazioni e sono già stati utilizzati con successo nello spazio(19). Inoltre gli SSD, quando impiegati come rivelatori traccianti, hanno un'ottima risoluzione spaziale (qualche micron): per questo motivo sono largamente utilizzati come parte attiva degli spettrometri nelle missioni spaziali per la ricerca di antimateria (23). Nei rivelatori gassosi il segnale del raggio X generato per effetto fotoelettrico è paragonabile a quello prodotto dalla particella ionizzante, per cui è possibile mediante misurazioni multiple in moduli consecutivi distinguere fra segnale di particella e di fotone. Quando si usa un tipico rivelatore a silicio la perdita di energia per ionizzazione è circa 10 volte maggiore del segnale medio del raggio X da TR: è quindi indispensabile separare la particella dal fotone emesso per mezzo di un campo magnetico, al fine di raccogliere i due segnali in due regioni distinte del rivelatore, come è stato proposto per la prima volta da C.W. Fabjan (Nucl.Instr.Meth., 146,343 (1977)). In questo caso non sono necessari rivelatori dotati di serbatoi o sistemi gas, con una riduzione significativa in peso per cui tali apparati appaiono molto interessanti nell'ottica di missioni spaziali di lungo periodo. Un ulteriore vantaggio di questa soluzione è che gli stessi piani di rivelatori utilizzati da uno spettrometro magnetico, che è sempre presente in questo genere di apparato, possono essere utilizzati per la rivelazione dei fotoni da TR, purchè degli appropriati radiatori siano inseriti fra i piani. Si deve prestare attenzione a non aumentare significativamente lo scattering multiplo lungo la traccia della particella primaria, in modo da non compromettere la capacità tracciante dello spettrometro.
Per esperimenti presso acceleratori valgono le stesse considerazioni quando si possa utilizzare un campo magnetico nella stessa regione dove serva il TRD: la stabilità di funzionamento degli SSD, non più condizionata dalle variazioni di temperatura e composizione del gas tipiche dei rivelatori convenzionali, aggiunta ad una buona capacità di tracciamento possono offrire dei sicuri vantaggi. Inoltre per lunghi periodi di acquisizione il non dover utilizzare più lo xeno può costituire un effettivo risparmio finanziario.
Per le applicazioni di un TRD come dispositivo di trigger (21), questa tecnica è soddisfacente purchè il flusso di particelle per strip sia compatibile con il tempo di formazione del segnale (circa 1-2 microsec).
Allo scopo di progettare un TRD funzionale ad applicazioni di fisica o astrofisica delle particelle come quelle citate nella sezione precedente nell'immediato futuro, abbiamo fissato come obbiettivi per il fattore di reiezione il valore standard ottimale di 0.1% (al 90% di efficienza per gli elettroni) e per il momento massimo quello di 300 GeV/c per il quale, con radiatori tradizionali, il segnale dei pioni ha superato la soglia di emissione di TR e comincia a tendere a quello degli elettroni. A questo o a momenti ancora più elevati i segnali degli altri adroni (specialmente quello dei protoni) sono comunque sotto soglia: per cui in applicazioni quali ricerca di antimateria nello spazio, purchè il potere deflettente del campo magnetico lo permetta, è ancora possibile operare la selezione elettrone-protone sino al Tev/c. Con tale fattore di reiezione intendiamo misurare nello stesso range di momento la capacità del TRD di discriminare adroni, cioè pioni da kaoni e protoni, che sinora non è stata ancora studiata in maniera conclusiva. Intendiamo altresì studiare la risposta del TRD a particelle di alto Z per verificare la possibilità di identificare nuclei nei raggi cosmici (sino a Z=26) d'energia oltre il TeV/nucleone.

4.Studi di fattibilità
Un singolo strato radiatore - SSD, immerso in un campo magnetico, è stato già da noi testato su fascio al fine di dimostrare la fattibilità della tecnica illustrata. I risultati sono stati presentati in varie conferenze (32,33,34,35).Una versione semplificata di un codice Monte Carlo è stata sviluppata al fine di verificare le caratteristiche di progetto e può essere implementata per un numero maggiore di radiatori e moduli SSD. La simulazione è basata sui codici GEANT 3 e HEED, includendo il processo di produzione di TR. La risposta dell'elettronica di lettura è stata tenuta in considerazione al fine di riprodurre la forma del segnale su ciascuna strip e l'effetto di suddivisione della carica tra di esse.
Il rivelatore esposto al fascio T11 del CERN/PS consisteva in un doppio strato di SSD (spesso 300 micron) a singola faccia con un passo tra le strip di 25 micron ed un passo di lettura di 50 micron per motivi di costi. Le strip erano orientate lungo due direzioni ortogonali. Ogni SSD aveva una sezione di 3 x 3 cm2. Un magnete permanente cilindrico (potere deflettente pari a 0.15 T m ), con un foro centrale del diametro di 5 cm era inserito tra il radiatore a fibra di carbonio (spesso 5 cm e con densità 50 g/l) e i SDD.
Al fine di identificare indipendentemente e in maniera affidabile sia l'elettrone che il pione di momento di pochi GeV/c, si erano installati due contatori Cerenkov lungo la linea del fascio e un calorimetro a vetro-piombo a valle dell'ultimo modulo SSD.
Ogni modulo SSD era attrezzato con cinque chips di lettura commerciali (IDEAS-Norvegia) a 128 canali. La lettura digitale del segnale era realizzata per mezzo di Flash-ADCs.
Un coppia di moduli SSD collocati a monte ha permesso la ricostruzione della traccia della particella incidente, mentre una coppia posta a valle ha consentito di tracciare la particella deflessa e rivelare il punto di conversione del raggio X.
I segnali delle singole strip sono stati estratti dai dati grezzi, dopo aver sottratto il valore del piedistallo e del rumore di modo comune. Il rumore delle strip, che è stato valutato come il valore quadratico medio del segnale delle strip nel corso di una acquisizione di piedistallo, corrisponde ad una energia di circa 800 eV. Il valore più probabile del rapporto segnale rumore (S/N) per particelle cariche è stato stimato essere circa 100.
La separazione media tra il raggio X ed la particella è stata misurata pari a circa 130 strip 2 GeV/c di impulso. Un parametro cruciale per la ricerca di raggi X è stata la valutazione del rumore delle strip nella regione in cui era prevista la conversione del raggio X. Per questo studio, è stata eseguita una acquisizione senza radiatore (momento del fascio 2 GeV/c) ed è stata applicata la stessa procedura di ricerca dei cluster di raggi X.
Sono state studiate le distribuzioni di energia per i raggi X e le particelle (elettroni e pioni) rivelate nello strato di silicio oltre il magnete, per momenti del fascio di 1 GeV/c e 2 GeV/c. Negli eventi di pione non sono stati osservati raggi X: dai dati raccolti si è ottenuta una contaminazione di pioni di 0.1% con una efficienza di identificazione di elettrone pari a circa il 60%. Successivamente abbiamo messo a punto un altro prototipo basato su tre moduli radiatore-SSD (ma con passo di 228 micron), equipaggiato con elettronica analoga. Questo è stato testato sino a 5 GeV/c di impulso in un campo magnetico di 1 T mostrando una reiezione contro i pioni solo dell'1% (a causa del passo eccessivo delle strip) ma al 80% di efficienza di rivelazione degli elettroni (36,37). Con passi di 25 micron e più moduli siamo pertanto confidenti di raggiungere i valori di progetto quotati.

Conclusioni
Nel presente programma di R&D, a partire da questi studi di fattibilità, si intende sviluppare un prototipo di TRD completo e compatto basato su un insieme di radiatori ed SSD al fine di ottenere un valore di potere di reiezione tipico dei TRD convenzionali, cioè 0.1% al 90% di efficienza di rivelazione di elettroni per fasci sino a 300 GeV/c. Si intende con tali prestazioni verificare anche la possibilità realistica di discriminare i vari adroni nello stesso range di impulso e studiare la possibilità di identificare nuclei ad alto Z ( sino a Z=26). <<<