L’ECAL


ECAL

Il rivestimento del calorimetro elettromagnetico prima dell'integrazione finale. I fotomoltiplicatori sono siti sui buchi quadrati.

Il calorimetro elettromagnetico ECAL è una specie di pesante mattone di piombo attrezzato con la strumentazione. Le particelle incidenti interagiscono con il materiale denso dando luogo a uno sciame di particelle a energia più bassa. Dalla forma dello sciame si può risalire alla particella e alla sua energia iniziale.

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Perché ci serve l’ECAL?

Il positrone ha la stessa carica e lo stesso segno del protone, ma una massa 2.000 volte inferiore. Poiché i positroni ad alta energia possono avere la stessa rigidità di un protone a bassa energia, non sarebbe possibile separarli in un campo magnetico. Per farlo c’è bisogno di uno strumento molto efficiente, anche perché nel flusso di raggi cosmici c’è un solo positrone per ogni 100.000 protoni. Un discorso analogo è valido per la separazione tra elettroni e antiprotoni… di questi ultimi ce n’è uno ogni 100 elettroni. L’ECAL è un rivelatore specializzato in grado di distinguere tra positroni e protoni e tra elettroni e antiprotoni: arriva a identificare un positrone su 100.000 protoni! Per una migliore dicriminazione, AMS-02 è dotato di un altro rivelatore specializzato: il TRD.

L’ECAL fa anche misure dirette di fotoni γ di alta energia, determinandone accuratamente energia e direzione.

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Strati di ECAL

Un protone non interagnete attraversa l'ECAL. All'elettrone è associato uno sciame elettromagnetico.

Come funziona l’ECAL?

Quando un e+, e- o un γ molto energetici attraversano un materiale con un alto Z – come il piombo – sono prodotti molti altri e+, e- e γ di energia inferiore. Questo sciame elettromagnetico è dovuto all’azione reciproca di due fenomeni: la bremsstrhalung (parola tedesca che indica una radiazione di frenamento) o produzione di fotoni da positroni ed elettroni, la cosiddetta produzione di coppie che comporta la conversione di un fotone in una coppia e+ e-. Lo sciame termina quando le particelle secondarie vengono assorbite nel amteriale o quando scapapno da esso.

Un protone incidente interagisce in modi diversi, dando luigo a uno sciame adronico di forma completamente diversa. Lo sciame protonico è caratterizzato dalla produzione, in uno sciame ancora più ampio, di diversi tipi di particelle (pioni, kaoni, …).

L’ECAL è in grado di ricostruire il profilo tridimensionale dello sciame a 18 diversi livelli di profondità. Queste misure forniscono una descrizione completa della forma longitudinale e trasversale dello sciame e permettono così di distinguere uno sciami di positroni da sciami di protoni. Quando incidono e+, e- o γ poco energetici (sotto 1 TeV), lo sciame elettromagnetico sta tutto nell’ECAL e il segno complessivo è proporzionale all’energia della particella.

Dalla forma dello sciame si può risalire alla direzione della particella incidente. L’ECAL raggiunge una precisione di pochi gradi, cosa molto importante per misure di fotoni ad alta energia. newlin

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Com’è costruito l’ECAL?

Il caloriemtro è un pancake di 9 super-strati per un’area attiva di 648×648 mm2 e uno spessore di 166.5 mm. Ogni superstrato è spesso 18.5 mm thick ed è fatto di 11 lamine scanalate di piombo spesse 1 mm l’una intercalati con strati di fibre a scintillazione da 1mm di diamtro, incollate insieme da una resina epossidica. La capacità di imaging del rivelatore si ottiene sovrapponendo i superstrati alternati alle fibre parallelamente all’ asse x (4 layers) e all’asse y (5 layers). Il pancake ha una densità media di 6.9 g/cm³ e un peso totale di 496 kg.

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In dettaglio: Misure di raggi γ con AMS

Com AMS ci sono due modi per misurare l’energia di raggi gamma molto energetici e la direzione di provenienza:

1) Single Photon Mode: dalla rivelazione diretta di ECAL, che in questo caso funziona da strumento indipendente che fa da trigger e registra l’evento da solo. La risoluzione di posizione ed energia di ECAL è molto buona oltre i 300 GeV.

2) Conversion Mode: dall conversione di coppia dei fotoni nel Tracker. Quando un fotone di alta energia si converte in una coppi elettroni/positrone prima di attraversare il Tracker o una volta dentro, la coppia viene prodotta in avanti e viene successivamente separata dal campo magnetico. Dalla curvatura delle traiettorie di e+ e- si può risalire all’energia e alal direzione del fotone.

Per associare alla direzione di provenienza del fotone una posizione in cielo, AMS-02 si serve dello Star Tracker.

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Per saperne di più:

» La pagina del TRD

» La pagina dello Star-Tracker

» AMS-Gruppo dell’INFN di Pisa