Calibrazione dei fotomoltiplicatori di Ama, esperimento spaziale per la ricerca dell'antimateria

statistiche di interesse ed i criteri adottati per selezionare i sei fototubi che andranno
montati su ciascun contatore. In appendice A vengono riassunti i risultati della ca-
ratterizzazione di ciascun fotomoltiplicatore in forma di tabella). Il capitolo termina
con i risultati di una simulazione dell apparato sperimentale utilizzato per le misure
allo scopo di stimarne gli effetti sulle risposte dei fototubi e, come vedremo, sono
consistenti con le prove sperimentali eseguite a confronto.
L ultimo capitolo prende in ne in considerazione i trattamenti a cui abbiamo
sottoposto i fotomoltiplicatori allo scopo di renderli idonei alle particolari condi-
zioni di lavoro che dovranno affrontare nello spazio; si ‘e provveduto in particolare
ad un isolamento elettrico in grado di prevenire fenomeni di scarica correlati alle
bassissime pressioni tipiche dello spazio. Il problema delle scariche ‘e spiegato bre-
vemente come introduzione al capitolo che termina con la descrizione dettagliata
delle due tecniche di spazializzazione applicate e con un accenno al problema del
campo magnetico.
La prima delle due appendici ‘e, come gi‘a accennato, il resoconto in forma di ta-
bella dei dati salienti relativi ai 380 singoli fotomoltiplicatori scelti per il montaggio
 nale sui plastici scintillatori del sistema TOF; essi sono stati selezionati dalla ban-
ca dati realizzata ad uso interno del gruppo AMS che raccoglie sia le caratteristiche
tecniche fornite dalla casa costruttrice (Hamamatsu Photonics K. K.) che i risultati
delle misure condotte in laboratorio per ognuno dei dispositivi a disposizione.
Nella seconda appendice, che conclude la tesi, ‘e raccolta la documentazione
fornita dalla ditta Hamamatsu Photonics K. K. riguardo ad alcune caratteristiche
dei fototubi R5900 emerse dai test condotti in azienda.
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Capitolo 1
Il sistema per il tempo di volo (TOF)
dell esperimento AMS
1.1 L esperimento AMSAMS ‘e l acronimo di Alpha Magnetic Spectrometer e si propone come un espe-
rimento spaziale per la ricerca di nuclei di antimateria nella radiazione cosmica.
L apparato che si intende realizzare ‘e uno spettrometro magnetico di grande accet-
tanza alla cui costruzione sta lavorando un ampia collaborazione internazionale di
cui fanno parte: Cina, Finlandia, Francia, Germania, Italia, Russia, Svizzera e Stati
Uniti.
Il programma di ricerca prevede la raccolta di dati per almeno tre anni a par-
tire dal 2001 presso la stazione permanente Alpha (ISSA) situata a circa 400 km
di distanza dalla Terra che verr‘a raggiunta dall apparato AMS durante un apposita
missione dello Space Shuttle. In questo arco di tempo il volume sensibile di AMS
verr‘a attraversato, secondo le stime, da 10
10
particelle, permettendo di raccogliere
una quantit‘a rilevante di dati con una sensibilit‘a migliore di un fattore  105 ri-
spetto a quelle raggiunte dagli esperimenti condotti precedentemente con palloni
aereostatici e satelliti.
Uno dei pi‘u recenti (luglio 1993) ‘e, per esempio,  BESS [2], che ha compiuto
la ricerca di antinuclei con uno spettrometro magnetico a magnete superconduttore
condotto ad una quota di 36.5 km da un pallone. Analizzando tutti gli eventi acquisi-
ti durante 13 ore di misure ( 105 ) non ‘e stata osservata la presenza di antimateria;
4
1.1. L esperimento AMS
‘e stato comunque posto un limite superiore alla sensibilit‘a degli esperimenti in que-
sto campo. In termini di rapporto
4He=He,si‘e raggiunto  nora il valore di 10 5
mentre per AMS si prevede una sensibilit‘adi109.
Qualora la ricerca di antinuclei abbia successo si avrebbe un evidenza diretta
della presenza di dominii di antimateria nell universo, predetta da alcuni modelli
teorici sull evoluzione cosmica.
Se esistono quantit‘a signi cative di antimateria primordiale l anti-Elio ‘e la for-
ma pi‘u probabile da trovare; le teorie sulla composizione dell universo alle sue
origini e sulla formazione delle stelle lo indicano infatti come l elemento pi‘u ab-
bondante dopo l Idrogeno [3], [4].
Antiprotoni e positroni non sono invece indicativi della presenza di antimateria
risalente all origine dell universo in quanto questi vengono prodotti dalla collisione
dei raggi cosmici con il mezzo interstellare.
I tre elementi principali che costituiscono l apparato, evidenziati in  gura 1.1,
sono:
- Un magnete permanente costituito di blocchi di materiale ferromagnetico
(Nd-Fe-B) racchiusi da pareti cilindriche in alluminio; la forma cilindrica
‘e stata scelta nel tentativo di ottimizzare il tutto dal punto di vista del pe-
so conservando nello stesso tempo un alto potere analizzatore che ‘e di 0.15
Tm
2
.
- Un sistema per la rivelazione di tracce collocato all interno del magnete. Si
compone di 6 strati di strisce di Silicio allineate ( Wafers di Silicio o Mi-
crostrips) in grado di ricostruire una traccia con una precisione dell ordine
di 10 m; anche se il sistema si presenta come una serie di sottili strutture
planari ha dato comunque prove di buona stabilit‘a meccanica durante i test di
vibrazione a cui ‘e stato sottoposto  nora.
- Un sistema per la misura del tempo di volo posto alle due estremit‘a circolari
del magnete permanente, che verr‘a descritto in dettaglio nel seguito.
Il tutto verr‘a assemblato sulla struttura cilindrica del magnete le cui dimensioni
sono 80 cm di altezza e 114 cm di diametro; dovr‘a inoltre far fronte alle limitazioni
di peso, ingombro e consumo tipiche di un esperimento spaziale. Secondo le speci-
 che della NASA in proposito, AMS non dovr‘a pesare, globalmente, pi‘u di 3000
kg e avr‘a a disposizione una potenza massima di 1000 W.
5
IL SISTEMA PER IL TEMPO DI VOLO (TOF) DELL ESPERIMENTO AMS
Attualmente si sta lavorando alla costruzione dell apparato che funzioner‘a du-
rante un volo di prova previsto per l Aprile del 1998 sulla navetta Discovery;si
tratta di una missione preliminare in cui l apparato prototipo di AMS raccoglier‘a
dati per circa 100 ore allo scopo di fare misure ad ampia statistica riguardo lo spettro
di antiprotoni nei raggi cosmici.
L obiettivo principale di queste misure ‘e il tentativo di individuare eventuali
deviazioni dallo spettro convenzionale descritto dal modello Leaky Box [6] per la
propagazione dei raggi cosmici all interno della nostra galassia, attribuibili ad altre
sorgenti di anti-protoni; un esempio di queste possibili sorgenti alternative pu‘o es-
sere l annichilazione di particelle come i neutralini, candidati dai modelli teorici di
supersimmetria come costituenti la materia oscura [7], che rientra fra gli oggetti di
indagine del programma di ricerca dell esperimento AMS.
La rivelazione di antiprotoni sar‘a favorita dalla presenza di un contatore Che-
renkov ad aereogel posto nella parte inferiore dell apparato, che permetter‘a una
separazione di antiprotoni dagli elettroni  no ad un impulso di circa 4 Gev/c.
1.2 Il sistema TOF
Il sistema per il tempo di volo nell esperimento AMS consiste essenzialmente in
due telescopi per raggi cosmici posti rispettivamente sopra e sotto il magnete per-
manente; ciascuno ‘e costituito da due piani sovrapposti di contatori a scintillazione
per un totale di quattro piani sorretti da una struttura di supporto in honeycomb (ma-
teriale molto leggero a base di alluminio a nido d ape). L orientazione dei plastici
fra piani consecutivi ‘e ortogonale in modo da consentire una localizzazione delle
particelle a due coordinate.
La  gura 1.2 ci mostra l assemblaggio dei contatori di un piano. Ognuno dei
quattro piani ‘e costituito di 14 contatori a scintillazione plastici
1
larghi 11 cm,
di spessore uguale ad 1 cm e di lunghezza variabile tra 72 e 136 cm, in modo
da ricoprire una super cie circolare del diametro di circa 140 cm, corrispondente
all apertura del magnete permanente. L orientazione dei plastici fra piani conse-
cutivi ‘e ortogonale in modo da consentire una localizzazione delle particelle a due
coordinate.
1
I plastici scelti sono Bycron di tipo BC408, caratterizzato da un indice di rifrazione n=1.58
6
1.3. Misura del tempo di volo attraverso contatori a scintillazione
Tutti i contatori sono visti alle estremit‘a da tre fotomoltiplicatori R5900 Hama-
matsu (di cui parleremo in dettaglio nel capitolo seguente) che ricevono la luce di
scintillazione attraverso guide di luce trapezoidali realizzate in plexyglass (mate-
riale ritenuto adatto per esperimenti spaziali dalle speci che della NASA in pro-
posito). Per la scelta della forma delle guide di luce ci si ‘e basati principalmente
sulla ricerca della massima uniformit‘a nella risposta dei tre fotomoltiplicatori, cer-
cando di ridurre la dipendenza di questa dal punto di impatto della particella lungo
il contatore.
Si ‘e osservato che, riducendo la lunghezza della parte trapezoidale delle guide,
si riesce a limitare la regione di non uniformit‘a presso le estremit‘a dei contatori
a pochi centimetri; i fotoni prodotti in queste zone riescono infatti a raggiungere
direttamente il catodo dei fototubi senza subire ri essioni interne e senza quindi
dar luogo a disomogeneit‘a marcate dovute ad una distribuzione disuguale della luce
verso i tre fotomoltiplicatori [8].
In  gura 1.4 possiamo vedere un contatore completo di tutte le parti previste
per il montaggio sui piani del sistema TOF. Abbiamo innanzitutto una copertura in
sottile  bra di carbonio alluminata su tutta la lunghezza dello scintillatore; vediamo
inoltre i particolari della connessione dei fotomoltiplicatori con le guide di luce.
Il contatto ottico ‘e realizzato tramite pastiglie in silicone morbido di dimensioni
22  22 mm2 di super cie per 3 mm di spessore. In precedenza si era utilizzato
il plexyglass che per‘o, essendo pi‘u rigido, sottoponeva maggiormente la  nestra
vitrea del fotomoltiplicatore ai danneggiamenti da parte delle compressioni esterne
come quelle esercitate dalle viti attraverso cui il fototubo viene spinto verso la guida
di luce dello scintillatore per creare adesione.
1.3 Misura del tempo di volo attraverso contatori a
scintillazione
Il principio su cui si basa la misura del tempo di volo con contatori a scintillazione
di grande super cie in esperimenti di  sica delle particelle ‘ e schematizzato in  gura
1.5.
Quando una particella attraversa l area sensibile del contatore incidendo a di-
stanza, rispettivamente, x e L  x dai due fotomoltiplicatori posti ai lati, la luce di
7
IL SISTEMA PER IL TEMPO DI VOLO (TOF) DELL ESPERIMENTO AMS
scintillazione si propaga in entrambe le direzioni con velocit‘a u, viene raccolta e
trasformata in un impulso elettrico.
I segnali prodotti ai vengono poi inviati a due discriminatori a soglia che, a
loro volta, li convogliano in due canali di un TDC (Time to Digital Converter)
che ha il compito di registrare i due istanti di arrivo T1 e T2 rispetto ad un segnale
di riferimento comune, solitamente fornito da una logica elettronica dedicata alla
selezione degli eventi (denominata trigger).
Noti i tempi di risposta dei due fotomoltiplicatori ‘e possibile risalire al tempo
di passaggio della particella nel contatore T0 (riferito al tempo dato dal trigger)e
alla coordinata del punto di impatto della particella combinando opportunamente
le relazioni che esprimono la dipendenza dei tempi dalla geometria del contatore e
dalla velocit‘a della luce attraverso di esso:T1 = T0 + xu + C1 (1.1)T2 = T0 + L xu + C2 (1.2)C1 e C2 sono costanti dipendenti dal ritardo indotto dai cavi di connessione con
l elettronica di controllo.
Per quanto riguarda la posizione del punto di impatto avremo:x = u2 (T1  T2)+Costante (1.3)
Per quanto riguarda il tempo T0, l espressione che otteniamo dalle 1.1 e 1.2 ‘e
indipendente dalla posizione:T0 = T1 + T22 + Costante (1.4)
Chiamando T
A0 eTB0 i tempi di attraversamento misurati da due contatori A e B
(riferiti allo stesso tempo di trigger) a distanza D, la loro differenza 
T rappresenta
il tempo di volo della particella:
Ttof = TA0  TB0 (1.5)
8
1.4. Funzioni del sistema TOF
Dal tempo di volo si pu‘o risalire alla velocit‘a della particella v:v = D
Ttof (1.6)
Nel caso di AMS, avendo quattro piani di contatori sovrapposti a due a due,
siamo in grado di fare due misure indipendenti della velocit‘a della particella e di
determinare il suo verso di percorrenza; il segnale che parte da ciascun lato dei
contatori ‘e la somma passiva delle risposte anodiche dei tre fotomoltiplicatori.
1.4 Funzioni del sistema TOF
Le funzioni per cui ‘e stato pensato il sistema TOF di AMS sono essenzialmente
tre; la prima ‘e quella di fornire un primo livello di selezione delle particelle che
attraverseranno lo spettrometro nel corso della missione.
‘
E necessario operare una
cernita di questo tipo in quanto i nuclei di antimateria che AMS si propone di cer-
care come suo scopo primario rappresentano una frazione molto piccola del totale
di raggi cosmici a cui sar‘a esposto.
La seconda funzione consiste nella determinazione della velocit‘a delle particelle
attraverso la misura del tempo di volo che si ‘e descritta nel paragrafo precedente.
La risoluzione prevista per la determinazione del tempo di volo ‘e dell ordine dei
100 ps, dato che sembra essere confermato dalle caratterizzazioni dei singoli con-
tatori a scintillazione attualmente in corso nei laboratori del gruppo di Bologna; ci‘o
permetter‘a una determinazione di velocit‘a in grado di separare gli antiprotoni dalle
altre particelle di carica Z=1 e di impulso  no a circa 1.5 GeV .
Gli eventi di carica unitaria verranno selezionati tramite la coincidenza, entro
30 ns, delle risposte dei quattro piani. La determinazione del valore assoluto jZej
della carica elettrica delle particelle rappresenta la terza delle funzioni del sistema;
questa avviene attraverso una misura di perdita di energia in quattro scintillatori di
spessore 1 cm (uno per piano). AMS sar‘a in grado di raggiungere una risoluzione
sul numero atomico di circa 0.2, suf ciente a distinguere i nuclei degli elementi
presenti nei raggi cosmici  no al Ferro ( Z = 26) [1]; gli eventi di carica unitaria
verranno selezionati tramite la coincidenza delle risposte dei quattro piani.
Il segno della carica delle particelle selezionate in questo primo livello verr‘a poi
determinato dal rivelatore tracciante a microstrip, che rappresenta quindi il secondo
9
IL SISTEMA PER IL TEMPO DI VOLO (TOF) DELL ESPERIMENTO AMS
livello di selezione degli eventi. L ultimo livello di selezione sar‘a interamente for-
nito dal software presente all interno dello Shuttle nel corso della missione; questo
proceder‘a ad una prima analisi dei dati raccolti escludendo tutti quelli relativi ad
eventi non interessanti e trasmettendo i risultati de nitivi a terra.
10
1.4. Funzioni del sistema TOF
Figura 1.1: Costruzione schematica dell apparato AMS. Sono evidenziati i tre
elementi principali: magnete permanente, sistema tracciante e sistema per il tempo
di volo.
11
IL SISTEMA PER IL TEMPO DI VOLO (TOF) DELL ESPERIMENTO AMS
Figura 1.2: Disegno meccanico di un piano di contatori a scintillazione del sistema
per il tempo di volo di AMS. La  gura e le diciture contenute in essa si riferiscono
al piano prototipo su cui ‘e stato fatto un test vibrazionale nel mese di Febbraio.
12
1.4. Funzioni del sistema TOF
Figura 1.3: Disegno  nale delle guide di luce per i contatori a scintillazione.
Figura 1.4: Schema delle varie parti che costituiscono i contatori a scintillazione
nella loro con gurazione  nale.
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IL SISTEMA PER IL TEMPO DI VOLO (TOF) DELL ESPERIMENTO AMS
Figura 1.5: Uso di scintillatori per la rivelazione del tempo di volo.
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Capitolo 2
Scelta dei fotomoltiplicatori per il
sistema TOF
2.1 Generalit‘a sui fotomoltiplicatori
Un fotomoltiplicatore ‘e essenzialmente un tubo a vuoto costituito da una  nestra
trasparente alla luce posta su un elettrodo fotosensibile (catodo) e da una sezione
di elettrodi moltiplicatori di elettroni (dinodi) in grado di convertire il passaggio di
luce in un segnale di corrente rivelabile all anodo.
In  gura 2.1 possiamo vedere la costruzione schematica di un fotomoltiplica-
tore; il funzionamento di tutto il dispositivo ‘e basato sul meccanismo di emissione
di elettroni da parte del catodo per effetto fotoelettrico, stimolato dai fotoni che
compongono la luce entrante.
La debole corrente di fotoelettroni prodotta inizialmente dal catodo viene foca-
lizzata da un apposito elettrodo verso il primo dinodo dove ha inizio un processo a
catena di emissione secondaria di elettroni che prosegue lungo i dinodi successivi
 no al raggiungimento dell anodo, il quale raccoglie la corrente  nale (aumentata
di un fattore  no a 10
6
,10
8
rispetto a quella iniziale) e la fornisce in uscita.
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