Confronto tra magneti


The two magnet cases

Le camere "gemelle" dei due magneti.

AMS-02 volerà nella configurazione Magnete Permanente (PM). Questa decisione è stata maturata per diversi motivi, il più importante dei quali è l’estensione del periodo di attività della Stazione Spaziale Internazionale al 2020 (e forse al 2028). AMS-02 avrebbe dunque l’opportunità, unica, di studiare con la più alta accuratezza raggiungibile la composizione dei raggi cosmici per almeno dieci anni, alla ricerca di componenti rare. Il magnete superconduttore (SCM) non sarebbe durato tanto a lungo.

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Il cammino verso la decisione

Il magnete superconduttore (SCM) è stato sviluppato a partire dal 2000, pensando di doverlo far volare per tre anni, passati i quali sarebbe tornato a Terra. Si è duqnue proceduto a misurare il tempo di vita di AMS-02 in configurazione SCM attraverso il test di termo vuoto che ha indicato una durata reale inferiore ai tre anni. Dopo il test, l’elio superfluido sarebbe stato fatto evaporare e il criomagnete sarebbe tornato a temperatura ambiente prima del ritorno a terra.

In seguito all’incidente occorso al Columbia, del primo febbraio 2003, il programma di volo dello Shuttle è stato drasticamente modificato e il numero di missioni sono state ridotte all’osso, salvando quelle strettamente necessarie a completare la costruzione della ISS e ad assolvere agli impegni internazionali. Lo stesso AMS-02 è stato depennato dai programmi per qualche anno. Questo non ha impedito di proseguire nel frattempo con lo sviluppo del magnete e dei payload, in attesa di nuove comunicazioni sulla sorte dell’esperiemnto. Quando la misisone con a bordo AMS-02 è stata all’inizio del 2009 reinserita nei programmi, si è subito capito che avrebbe avuto un biglietto di solo andata:una volta installato sulla ISS con la missione STS-134, l’esperimento non sarebbe mai tornato sulla Terra. A quell’epoca la data di lancio era stata fissata per il 2010 e la data di chiusura delle attività della ISS posta al 2015.

Quando all’inizio del 2010 è stata comunicata la decisione di tenere in vita la ISS fino, se non oltre, il 2020, l’ipotesi magnete permanente è tornata alla ribalta e si è in breve guadagnata il consenso della Collaborazione e della NASA.

La configurazione di AMS-02 con magnete permanente (PM) è funziona tecnicamente in modo più semplice rispetto alla configurazione SCM: non servono contenitori di elio né dispositivi criogenici, tanto per cominicare. Inoltre si guadagna un po’ nel peso e le condizioni di sicurezza sono meno stringenti. Poiché i sottosistemi di AMS-02 sono stati inizialmente progettati per aderire a entrambe le configurazioni, le due strutture delle camere a vuoto sono identiche da un punto di vista meccanico e la stessa integrazione è piuttosto simile.

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La risoluzione della rigidità per i due progetti di magnete. La linea verde rappresenta la differenza tra le risoluzioni del magnete permanente (linea blu) e del magnete superconduttore (linea rossa). Ad alte energie i due magneti hanno la stessa accuratezza, a basse energie c'è una differenza del 10%.

Il nuovo design

Particelle e antiparticelle sono deviate dal campo magnetico in direzioni diverse. Una misura diretta della direzione di curvatura permette di separare la materia dall’antimateria (left-positive, right-negative). Da un punto di vista sperimentale è immediato sostenere che: più grande è l’inclinazione della traiettoria della particella, più facile è determinare il segno dlela curvatura.

Il compromesso nello scegliere il magnete permanente sta proprio nel fatto che il suo campo magnetico è 5 volte più debole; ciò significa che particelle di uguale energia (come le due rappresentate nella figura di sopra) sono deviate meno dal campo del magnete permanente rispetto a quanto sarebbero deviate dal campo più forte del magnete superconduttore, il che costituisce un limite a basse energie nella discriminazione di materia e antimateria.

Per superare il problema, si è lavorato sul miglioramento dell’assetto geometrico del Silicon Tracker. L’idea alla base è quella di estendere il braccio delle misure della traccia, sommando misure prese sopra e sotto AMS-02. Con un braccio maggiore si possono apprezzare anche piccole deviazioni angolari della particella nel campo magnetico. Dunque, con un Tracker “esteso” lo strumento è in grado di misurare curvature anche piccole.

Una formula approssimata dell’errore relativo (la percentuale di errore) che si commette sulla misura della rigidità nel Tracker, ΔR/R, è mostrata nel grafico soprastante. ΔR/R può essere pensata come la percentuale di errore sulla stima della curvatura: quando ΔR/R diventa il 100%, significa la curvatura è diventata talmente piccola che non possiamo più distinguere le tracce positive da quelle negative. In entrambe le formule il rapporto ΔR/R cresce – cosa che corrisponde a un’accuratezza peggiore nella stima della curvatura – se si riduce il cmapo magnetico. Si può migliorare la risoluzione allungando il braccio della leva (L).

Nel grafico sopra riportato, la risoluzione di rigidità attesa è rappresentata in funzione della rigidità. Con 9 piani del tracker, la risoluzione di AMS-02 in configurazione magnete permanente è equivalente (entro il 10% o meno) a quella in configurazione superconduttore.

Per ottimizzare il Silicon Tracker sono stati aggiunti 2 piani in più all’inizio e alla fine del detector, allungando in questo modo il braccio da ~ 1 m a ~ 4 m. Questi due piani sono costruiti reimpastando alcune “scalette” già esistenti sul Silicon Tracker, in modo da non dover aggiungere nuova elettronica o ladder al silicio.

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Il rapporto atteso positroni-su-elettroni nelle due cofnigurazioni di AMS-02, assumendo un particolare modello di annichilazione della materia oscura.

Performance attese del nuovo design

Una conseguenza dell’operazione di estensione del braccio è che il numero di raggi cosmici che attraversano il volume del tracker ogni secondo, è inferiore. Questo perché cilindri più lunghi – a parità di diamtero – hanno un campo di vista angolare più stretto. Tuttavia il numero dei raggi cosmici (CRs) raccolti in 10 anni nella configurazione magnete permanente è maggiore del numero che potrebbe essere raccolto nello scenario magnete superconduttore. Un numero maggiroe di particelle raccolte aumenta la probabilità di scoprie eventi molto rari come tracce di antimateria primordiale o dei prodotti dell’annichilazione della materia oscura.

Per esempio il numero atteso di positroni raccolti nella configurazione PM è di un fattore da 2 a 6 volte maggiore rispetto allo scenario SCM, a seconda dell’energia; i positroni sono una componente rara molto importante dei raggi comici e potrebbero essere marcatori fondamentali nelle prove indirette dell’esistenza della materia oscura.

Uno degli obiettivi scientifici di AMS-02 è, infatti, la misura del rapporto positroni-su-elettroni. L’esperimento PAMELA ha evidenziato un eccesso di positroni ad alte energie, cosa che in precedenza era stata osservata, con una maggiore incertezza statistica, da esperimenti come HEAT e lo stesso AMS-01. Il dibattito sulla natura di questo eccesso è ancora in corso: una possibile ipotesi è che si tratta delprodotto dell’annichilazione di materia oscura che, nello stato finale, dà luogo a elettroni e positroni.

Particelle di materia oscura sono ovunque e interagiscono debolmente con la materia ordinaria. Nei laboratori sotterranei si sta cercando, con molta difficoltà, di rivelarle direttamente. Nelle galassie le particelle di materia oscura potrebbero interagire e, in certi casi, annichilarsi. Poiché ci si aspetta che la materia oscura abbia una grande massa, l’energia rilasciata in queste annichilazioni dovrebbe essere molta. Tale energia può inoltre essere convertita in coppie di materia-antimateria ordinaria (electron-positron, proton-antiproton) di alta energia. L’eccesso di positroni nello spettro visto da PAMELA potrebbe essere dunque spiegato considerando che i positroni ad alta energia potrebbero essere il risultato delle annichilazioni di particelle di materia oscura all’interno della nostra galassia.

Sperimentalmente, l’identificazione di elettroni e positroni rispetto al notevole background di protoni sarà operata in AMS-02 dal Transition Radiation Detector (TRD) e dal calorimetro elettromagnetico (ECAL). Il nuovo assetto del Tracker è adattato all’accettanza dell’ECAL, così che tutta le particelle che attraversano il Tracker sono misurate anche dall’ECAL, in modo da massimizzare l’accettanza complessiva di AMS-02 e quindi il potere di identificare elettroni e positroni.

Nella figura in alto è mostrata la performance attesa di AMS-02 nella misura del rapporto positroni-su-elettroni. Riguardo la massa di particelle di materia oscura, è stato ipotizzato anche il valore di 200 GeV. AMS-02 potrebbe estendere le misure attualmente disponibili (di PAMELA, HEAT, AMS-01) verso energie più alte e potrebbe scoprire materia oscura che si annichila.