Il RICH


RICH

Le componenti del RICH. Dall'alto verso il basso osserviamo il radiatore, lo specchio conico e il piano di rivelazione.

Il Ring Imaging CHerenkov detector (RICH) misura con grande accuratezza (0.1%) la velocità delle particelle. La velocità viene stimata a partire da forme geometriche come cerchi, ellissi e archi, prodotti per effetto Cherenkov.

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Che cos’è l’effetto Cherenkov?

La massima velocità possibile in natura è limitata, e pari alla velocità della luce nel vuoto (c = 300 000 km/s). Tuttavia la luce che attraversa un qualsiasi mezzo si propaga a una velocità inferiore alla velocità luce di un fattore pari all’indice di rifrazione del mezzo (v = c/n). E’ possibile che particelle, dotate di una una velocità comunque inferiore a c, possano attraversare un mezzo superando la velocità della luce in quel mezzo.  Queste particelle emetteranno al loro passaggio un cono di luce. Questo fenomeno, detto effetto Cherenkov, è paragonabile all’emissione di onde sonore che si genera quando un aereo supera la velocità del suono. La radiazione prodotta per effetto Cherenkov è emessa lungo un cono caratteristico la cui apertura angolare è legata direttamente sia alla velocità della particella che all’indice di rifrazione del mezzo.

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Come funziona il RICH?

Per una visione schematica del meccanismo di misura del RICH si guardi la figura in basso. Il cono Cherenkov – emesso da una particella carica che passa attraverso uno dei radiatori del RICH – si espande nel vuoto per essere poi rivelato su una superficie sensibile, sulla quale appare il cono proiettato. La forma del cono proiettato dipende dall’angolo di incidenza della particella: può essere un’ellisse o un cerchio. Per non perdere nemmeno un fotone emesso, è stato inserito uno specchio che racchiude l’area sensibile della superficie: i coni incidenti sullo specchio sono proiettati come semicerchi sulla superficie sensibile.

Dalla forma geometrica, grazie a un algoritmo che riconosce la traiettoria, è possibile risalire alla velocità e all’angolo di incidenza della particella, la cui carica è infine determinata a seconda dello spessore della linea di volo.

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A cosa serve il RICH?

Una delle proprietà fondamentali delle particelle è la massa, che in AMS viene misurata per via indiretta, perché è calcolata a partire dalla rigidità (R) misurata da Tracker, dalla carica (Z) misurata da Tracker, ToF e RICH, e dalla quantità beta = v/c misurata dal RICH e dal ToF:

Formula della massa

La massa dipende fortemente da beta e fortunatamente il RICH, dotato di una sorprendente velocità di risoluzione, consente una buona risoluzione della massa.

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RICH Scheme

Schema semplificato del meccanismo di misura del RICH.

Com’è costruito il RICH?

Il RICH di AMS-02 consiste di un piano-radiatore, uno specchio conico e un piano di rivelazione dei fotoni.

Il radiatore, che emette radiazione Cherenkov, è un dodecaedro con diametro interno tangente di 118.5 cm; un array spesso 2.7 cm di mattonelle in aerogel, con un indice di rifrazione compreso tra 1.03 e 1.05 circonda una zona centrale di 35×35 cm2 dove si trovano due radiatori spessi 5 mm al floruro di sodio (NaF); l’indice di rifrazione dell’NaF è pari a 1.335. Una tale combinazione di radiatori ottimizza l’accettanza complessiva del contatore, perché in ogni caso i fotoni Cherenkov irradiati dall’NaF in coni larghi, cadranno entro l’area di rivelazione. Proprio per questo il piano di rivelazione ha un’area di 64×64 cm2 vuota al centro, corrispondente all’area attiva del calorimetro elettromagnetico sottostante.

All’esterno del foro di ECAL, ci sono 680 fotomoltiplicatori 4×4 multi anodo (con un guadagno di 106 a 800 V) sono disposti in modo da coprire la superficie circolare di134 cm di diametro alla base dello specchio conico.

Il radiatore e il piano rivelatore sono racchiusi da una struttura conica riflettente multistrato che giace su un substrato in fibra di carbonio rinforzato alto 47 cm. Lo specchio aumenta l’accettanza del RICH perché riflette i fotoni ad alto angolo di inclinazione ed espande a sufficienza l’anello di drift dei fotoni. Il RICH misura la quantità β con una risoluzione dello 0.1% per particelle a carica unitaria e dello 0.01% per gli ioni; misura inoltre la carica delle particelle con una confusione di carica dell’ordine del 10%.

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Per approfondire: Perché c’è un buco al centro del RICH?

Sotto il RICH c’è un altro rivelatore, il calorimetro elettromagnetico ECAL. Per non alterare le misure di energia di ECAL, è stato necessario minimizzare i materiali; il RICH compensa il buco grazie a una particolare combinazione dei materiali dei rivelatori: i coni di luce prodotti dal radiatore centrale sono più grandi di quelli prodotti nell’aerogel e di conseguenza i primi hanno una probabilità maggiore di essere raccolti sul piano dei tubi fotomoltiplicatori.

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Per saperne di più:

» AMS: gruppo Ciemat

» AMS: gruppo dell’INFN di Bologna

» L’effetto Cherenkov (Wikipedia)

» Video di un aeroplane che infrange la barriera del suono