El ECAL


ECAL

El Calorímetro Electromagnético antes de la integración de los fotomultiplicadores en las rejillas laterales.

El Calorímetro Electromagnético (ECAL) es un pesado bloque de plomo equipado con instrumentación. Las partículas incidentes interaccionan en un material tan denso y producen una cascada de partículas de baja energía. A partir de la forma de esta avalancha es posible identificar las partículas y determinar su energía.

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¿Para qué necesitamos el ECAL?

El positrón tiene la misma carga que el protón pero una masa 2000 veces menor. Como un positrón de alta energía puede tener la misma rigidez que un protón de baja energía, no se pueden separar mediante un campo magnético. En el flujo de Rayos Cósmicos sólo hay 1 positrón cada 100 000 protones de modo que necesitamos un método eficiente para separarlos. El mismo argumento vale para la separación de electrones y antiprotones. En este caso, la abundancia natural es de 1 antiprotón cada 100 electrones. El ECAL es un detector especializado para distinguir positrones de protones y electrones de antiprotones y puede identificar 1 positrón entre 100 000 protones. Para tener una capacidad de rechazo aún mejor disponemos en AMS-02 de otro detector especializado: El ECAL también es capaz de medir directamente fotones de alta energía determinando con precisión su energía y dirección.

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ECAL Layers

Un protón que atraviesa el ECAL sin interactuar y un electrón que lleva asociada una cascada de partículas.

¿Cómo funciona el ECAL?

Cuando un e+, e- o γ de alta energía pasa a través de un material con alta Z (como el plomo) producen gran cantidad de e+, e- y γ de baja energía. Esta cascada de partículas, llamada cascada electromagnética, está producida por la combinación de dos fenómenos: la producción de fotones por los electrones y positrones (el bremsstrhalung o radiación de frenado) y la conversión de fotones en un par e+ e- (producción de pares). La cascada termina cuando las partículas secundarias quedan absorbidas por el material o cuando escapan por su frontera.

Un proton incidente interactúa de una manera muy diferente: produce una cascada hadrónica que tiene una forma totalmente diferente. La cascada del protón se caracteriza por la producción de partículas muy diversas (piones, kaones,…) que dan lugar a una cascada más ancha.

El ECAL es capaz de realizar una reconstrucción tridimensional del perfil de la cascada en 18 planos de profundidad. Estas medidas proporcionan una descripción precisa de la forma longitudinal y transversal de las cascadas y permiten distinguir entre positrones y protones. En el caso de que incidan e+, e- o γ con energías inferiores a 1 TeV, las cascadas producidas están casi totalmente contenidas en el volumen ocupado por el ECAL y la señal detectada es proporcional a la energía de la particula.

A partir de la forma de la cascada también es posible reconstruir la dirección de la partícula incidente alcanzando precisiones de unos pocos grados. Esto es importante para la medida de fotones de alta energía.newlin

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¿Cómo está construido el ECAL?

El calorímetro consiste en una estructura compuesta por 9 super-capas con un area activa de 648×648 mm2 y un grosor de 166.5 mm. Cada super-capa tiene un grosor de 18.5 mm y esta hecha de 11 ranuras con capas de plomo de 1 mm alternadas con capas fibras de material centelleador de 1 mm de diámetro pegadas con una resina epoxi. Las capacidades de reconstrucción tridimensional del detector se obtienen apilando super-capas y fibras paralelas, alternativamente, al eje X (4 capas) y al eje Y (5 capas). La estructura final tiene una densidad media de 6.9 g/cm³ y un peso de 496 kg.

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En Profundidad: La medida de AMS de los rayos γ

En AMS podemos medir la energía de los rayos gamma muy energéticos y su dirección de dos maneras diferentes:

1) Modo Directo: esto es, la detección directa de un fotón en el ECAL. En este caso, el ECAL funciona como un detector independiente, disparando él sólo la toma de datos y recogiendo la información el suceso. La resolución en la medida de la posición y la energía es muy buena hasta más de 300 GeV.

2) Modo de Conversión: esto es, mediante la conversión de un fotón en pares e+ e-. Cuando un fotón de alta energía se convierte en un electrón y un positrón antes de llegar (o dentro incluso) del Detector de Trazas, ambos atraviesan de los planos del STD y sus trayectorias se van separando debido al campo magnético. A partir de las trayectorias observadas del e+ y del e- podemos reconstruir la energía del fotón y su dirección.

Para poder asociar la dirección de fotón a una posición específica del firmamento utilizamos la información proporcionada por el Seguidor de Estrellas.

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Para saber más:

» Página web del Seguidor de Estrellas

» El grupo de AMS – INFN Pisa