Il magnete


Magnet Deflection

Il magnete curva particelle e antiparticelle in direzioni opposte.

Il magnete è il cuore di AMS. Grazie al campo magnetico l’esperimento è in grado sia di distinguere la materia dall’antimateria, sia di stimare l’energia delle particelle cariche.

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A cosa ci serve il magnete?

Ogni particella ha un’antiparticella ad essa associata che ha la stessa massa ma segno della carica opposto. Ad esempio l’antiparticella dell’elettrone (e), che ha carica negativa, è il positrone (e+) che ha la stessa massa dell’elettrone ma carica positiva. Una qualsiasi particella con carica non nulla che si muova in un campo magnetico viene deviata  in una direzione che dipende dal segno della carica. Particelle e antiparticelle, che hanno segni della carica opposti, sono deviate in direzioni opposte. A seconda della curvatura delle tracce all’interno di un magnete (verso destra o sinistra) è quindi possibile distinguere gli elettroni dai positroni, materia da antimateria. Dal raggio di curvatura della traccia è possibile anche stimare l’energia della particella (più precisamente la sua rigidità).

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I due magneti di AMS

La collaborazione di AMS ha messo a punto due tipi di magneti che funzionano nello spazio: un magnete permanente (Permanent Magnet, PM) e un magnete superconduttore (Superconducting Magnet, SCM). Il magnete permanente è già stato utilizzato nel primo volo del progenitore di AMS, AMS-01. Successivamente è stato sviluppato un magnete superconduttore dello stesso diametro interno del permanente. Considerata la sfida tecnologica presentata dalla realizzazione del magnete a superconduttore, i rivelatori di AMS-02 sono stati progettati in modo da avere le interfacce meccaniche completamente compatibili con entrambi i magneti. Per i dettagli sui due magneti si possono consultare le seguenti pagine:

» Il magnete permanente di AMS

» Il magnete superconduttore di AMS

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Per approfondire: Quale magnete è quello ottimale per AMS-02?

Queste due tipologie di magneti sono state realizzate in modo molto diverso e operano in condizioni differenti. In particolare il magnete a superconduttore è molto più complesso e delicato del permanente. Dal punto di vista della fisica che AMS vuole studiare sono due gli aspetti che vanno considerati principalmente sono:

1) Intensità del campo magnetico: un campo magnetico maggiore permette una curvatura maggiore e quindi la possibilità di separare particelle e antiparticelle a energie più alte.

2) Durata del campo magnetico: maggiore è la durata dell’esperimento, maggiori sono le probabilità di osservare segnali rari candidati alla materia primordiale. Inoltre il flusso dei raggi cosmici più energetici è inferiore rispetto a quello dei raggi di basse energie, per cui un tempo di vita del magnete più elevato significa poter estendere l’intervallo di energia coperto dall’esperimento.

Primo scenario, magnete superconduttore: l’intensità del campo magnetico è 5 volte superiore a quella del magnete permanente, ma la sua vita è limitata a 3 anni. In questo scenario la configurazione dello spettrometro è stata scelta in modo che la massima energia rivelabile coincidesse grossomodo con l’energia oltre alla quale ci si aspetta un numero trascurabile di particelle in 3 anni di presa dati.  Questa ottimizzazione permette una separazione tra materia e antimateria fino a circa 2 TeV. Al di sopra dei 2 TeV, anche considerando l’ampio campo di vista di AMS, il numero di particelle aspettato precipita. Per poter accedere alla zona multi-TeV sarebbe necessario un tempo di esposizione molto più lungo.

Secondo scenario, magnete permanente: nonostante il campo magnetico sia 5 volte meno intenso, la sua durata nel tempo è stimata essere maggiore di 30 anni. La minore capacità di curvare le particelle può essere compensata riadattando la disposizione dei piani del Tracker, facendo in modo che il braccio della leva della misura della curvatura si estenda di 2 metri all’esterno del foro del magnete. Questa riconfigurazione permette di determinare il segno della carica elettrica a energie pari a 2 TeV con la stessa accuratezza della configurazione con il magnete superconduttore. Se da un lato lo scenario magnete permanente riduce del 40% l’accettanza, dall’altro il tempo di esposizione molto più lungo ci assicura di poter osservare particelle di alta energia in numero sufficiente per studiarne le caratteristiche.

Possiamo concludere che i due scenari sono piuttosto simili dal punto di vista del conseguimento degli obiettivi scientifici di AMS.

AMS-02 è stato inizialmente pensato per essere operativo tre anni sulla ISS nella configurazione con il magnete superconduttore. Poiché, in seguito al disastro del Columbia, il numero dei voli dello shuttle è stato drasticamente ridotto, si è deciso di non far tornare AMS-02 a Terra e di farlo funzionare sulla ISS per 10-15 anni, fino alla fine delle attività della stessa ISS. La decisione sulla configurazione finale dell’esperimento è legata ai risultati del test di termo vuoto (TVT) condotto nel simulatore spaziale a ESTEC nell’aprile 2010: la configurazione sperimentale che massimizza gli output fisici sulla ISS è quella con il magnete permanente.

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Per saperne di più:

» Il magnete permanente di AMS

» Il magnete superconduttore di AMS