Il TRD


TRD Integration

Il TRD integrato nella parte superiore di AMS-02.

Il Transition Radiation Detector (TRD), o rivelatore a transizione di radiazione, ha come compito distinguere fra particelle leggere e pesanti. Questa distinzione è ottenuta tramite il conteggio dei raggi X emessi dalle particelle.

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A cosa serve il TRD?

La teoria della relatività impone che non si possa superare la velocità della luce. Particelle di altissima energia viaggeranno quindi a velocità prossime a quelle della luce  indipendentemente dalle loro massa. Cioè ad alta energia i protoni, la cui massa è di circa 1 GeV (1 miliardo di elettronvolt), gli elettroni, con massa di 1/2 MeV (0.5 milioni di elettronvolt), i pioni e i muoni, di massa circa 100 MeV, ad alta energia avranno tutti all’incirca la stessa velocità. Rivelatori in grado di misurare la velocità delle particelle, come il ToF o il RICH, non sapranno distinguerle. Nemmeno il Tracker, che misura la quantità di moto (o meglio la rigidità), ci può aiutare perchè ad energie elevate particelle che hanno la stessa energia hanno pure la stessa quantità di moto. Il TRD è invece sensibile al rapporto energia/massa (γ = E/m), una quantità che è  molto diversa ad esempio per protoni ed elettroni. Quantità che ci potrà mostrare di che natura sono le particelle.

La discriminazione elettrone/protone diventa particolarmente importante nella ricerca della materia oscura, per la quale è fondamentale saper riconoscere le antiparticelle degli elettroni (dalla stessa massa, ma carica opposta), i positroni, la cui osservazione si possono inferire l’esistenza e le proprietà della materia oscura. Se scambiassimo abitualmente i protoni con positroni, non potremmo avere successo nella caccia alla materia oscura. Questo aspetto è così importante che per distinguere al massimo protoni e positroni alle alte energie è stato realizzato per AMS un altro rivelatore specializzato, il calorimetro elettromagnetico ECAL.

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TRD Measurement

Meccanismo di misura del TRD.

Come funziona il TRD?

Un elettrone di alta energie che attraversa il TRD può emettere raggi X, mentre un protone della stessa energia ha una probabilità di emissione molto più bassa. I raggi X vengono effettivamente emessi al passaggio della particella fra due materiali con indice di rifrazione diverso. Siccome la probabilità di singola emissione è scarsa, le interfacce incontrate dal raggio X devono essere molte. Nel nostro caso si usa una schiuma di polietilene che contiene numerosi “buchi”.

I raggi X emessi sono rivelati grazie alla loro proprietà di innescare una cascata di elettroni e ioni in una miscela di gas di Xenon e CO₂ soggetta a forte campo elettrico. Questa cascata si sviluppa in prossimità dei fili ad alto voltaggio che si trovano al centro dei sensori a cannuccia, straw tube, che contengono il gas. L’improvviso cambiamento della corrente causato dalla valanga induce un segnale elettrico che può essere registrato dall’elettronica posta ai capi del filo. I

Le particelle cariche, come l’elettrone e il protono, sono in grado di provocare cascate di ioni e elettroni nei contatori a gas. Questo segnale, detto di ionizzazione, è di intensità molto minore di quello provocato dai raggi X.

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TRD Gas

Il Gas System del TRD. Si notano i due contenitori dello Xenon e della CO₂.

Com’è costruito il TRD?

Il TRD è posizionato sopra il magnete. E’ costituito da 328 moduli, ognuno dei quali contiene 16 straw tube. I moduli sono organizzati in 20 strati che poggiano su un ottagono conico le cui pareti sono rivestite in fibra di carbonio. Ogni modulo contiene:

1) 20 mm di radiatori in fibra sintetica di polipropilene/polietilene a 0.06 g/cm³.

2) 16 tube straw riempiti con una miscela di Xe:CO₂ (80%:20%) a 1.600 V (in regime di piena valanga). La miscela ricca in Xenon è particolarmente efficiente nella conversione dei raggi X.

La miscela Xe:CO₂ del TRD deve essere regolata con attenzione. Il contenuto di xenon deve essere dell’80% con un’accuratezza migliore dell’ 1%; le contaminazioni devono essere assenti (per esempio fluorocarburi o ossigeno devono essere meno di una parte su un milione). Complessivamente il rivelatore non deve avere perdite perciò la pressione deve essere monitorata costantemente.

Per mantenere il rivelatore pieno di gas pulito, è previsto un sistema di ricircolo: 100 libbre di xenon e 5 di CO₂, contenute in leggere bottiglie, che accompagneranno il TRD nello spazio. Una rete di valvole e sensori di pressione permette di inserire nei 300 litri del rivelatore, 7 litri al giorno di miscela Xe:CO₂ (80%:20%). Una volta nel TRD, il gas fluisce in un circuito chiuso, dove pompe, valvole e dispositivi per l’analisi della CO₂, ne controllano le proprietà.

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Per approfondire:

» La pagina di ECAL

» La Home Page di ACC-TRD-TAS (Aachen) di AMS

» Transition Radiation (Wikipedia)