OSCaR

Oriented Scintillator CRystals

OBIETTIVI

2.1 Studio sperimentale dell’incremento della radiazione e.m. emessa da elettroni ultrarelativistici mediante l’interazione con cristalli scintillatori, in cui un asse o piano cristallografico risulti allineato alla direzione del fascio incidente.

2.2 Caratterizzazione strutturale di cristalli scintillatori al fine di determinarne la qualità cristallina.

2.3 Sviluppo di algoritmi di simulazione dedicati a questo tipo di fenomeni e loro validazione nel confronto coi dati sperimentali.

4. DESCRIZIONE DEL PROGETTO

Motivazione scientifica

I cristalli scintillatori inorganici vengono comunemente utilizzati per la rilevazione di particelle cariche e raggi γ. In particolare, per la realizzazione di calorimetri elettromagnetici per la fisica delle alte energie si utilizzano solitamente cristalli scintillatori ad alto Z, come PWO e CsI, dotati di una lunghezza di radiazione (X₀) dell’ordine del cm, in grado quindi di contenere completamente la shower elettromagnetica di particelle anche molto energetiche in un volume piuttosto contenuto.

Nonostante questi materiali siano effettivamente cristallini, la loro struttura reticolare non viene presa in considerazione nello studio dei processi elettromagnetici alla base del funzionamento dei calorimetri stessi, ovvero l’emissione di radiazione per frenamento (bremsstrahlung) e la produzione di coppie (PP). In realtà, dal 1960 diversi esperimenti hanno dimostrato come l’allineamento di un fascio di elettroni o fotoni con l’asse o i piani di un cristallo (tipicamente a singolo elemento, come il silicio o il tungsteno), comporti un aumento della probabilità di emissione di bremsstrahlung o PP, rispettivamente [1]. Tali effetti contribuiscono ad una forte riduzione della lunghezza della shower elettromagnetica stessa rispetto a un materiale amorfo.

In studi preliminari ideati da L. Bandiera nell’ambito dell’esperimento AXIAL e condotti presso la linea H4 del SPS al CERN, si è osservato un forte aumento della perdita di energia di elettroni ultrarelativistici (120 GeV) interagenti con un cristallo di PWO di spessore 4 mm (0.45 X₀) lungo la direzione del fascio. Nel dettaglio, orientando l’asse <001> del cristallo parallelamente al fascio, si è registrato un forte aumento in energia persa per elettrone. In Fig. 1 si può notare come si passi da un massimo attorno a 0 GeV nella distribuzione di perdita di energia in assenza di allineamento del cristallo con la direzione del fascio (linea nera), ad una distribuzione piccata attorno ad un’energia persa di circa 100 GeV in caso di allineamento assiale (linea rossa) [2].

Fig.1: Distribuzione sperimentale dell’energia persa dagli elettroni nel cristallo di PWO nel caso di allineamento del fascio con i piani – linea blu - o gli assi - linea rossa - del reticolo. La linea nera rappresenta il caso di bremsstrahlung standard in assenza di allineamento.

Sulla base dei risultati preliminari sopra discussi, il progetto si pone due obiettivi primari: i) caratterizzare in modo accurato le proprietà di perdita di energia di elettroni ultrarelativistici in diversi tipi di cristalli scintillatori; ii) sviluppare e validare algoritmi di simulazione accurati di questo tipo di fenomeni.

Esperimento

Alcuni campioni cristallini di spessore lungo il fascio di qualche centinaia di micron verranno caratterizzati mediante un diffrattometro ad alta risoluzione già presente nei Laboratori di Ferrara (sorgente di 8 keV), per determinarne la mosaicità superficiale e l’angolo tra la superficie morfologica ed i piani cristallini. I campioni verranno poi testati con un fascio di elettroni di 855 MeV al Microtrone MAMI, dove il gruppo di Ferrara è coinvolto da diversi anni in studi di channeling radiation in cristalli di silicio curvi. A MAMI è infatti disponibile un setup adeguato a questo tipo di studi (Fig. 2).

Fig.2: MAMI B setup. Successivamente al goniometro sul quale sono montati i cristalli, il fascio di elettroni viene deflesso orizzontalmente da un magnete (BM1). Nel caso di allineamento con assi e piani cristallini è atteso che gli elettroni perdano più energia a causa delle interazioni coerenti (channeling radiation o coherent bremsstrahlung) e vengono deflessi maggiormente dal magnete, aumentando i conteggi alla Ionization Chamber. La misura diretta di perdita di energia viene effettuata tramite il rivelatore NaI che raccoglie i fotoni prodotti.

I dati sperimentali verranno confrontati con simulazioni Monte Carlo realizzate ad-hoc, partendo da un algoritmo preesistente [3], in collaborazione con V. Tikhomirov (INP Minsk) che sarà ospite a Ferrara nell’ambito del progetto PEARL.

Prospettive di sviluppi futuri e ricadute tecnologiche

Un eventuale successo del progetto potrebbe non solo fornire nuove informazioni di fisica sui materiali scintillatori, ma anche aprire le porte a nuove applicazioni tecnologiche, quali la realizzazione di calorimetri compatti e preshower a piccolo angolo nella fisica delle alte energie e nell’astrofisica spaziale. Studi ulteriori sono richiesti per determinare la qualità intrinseca della struttura cristallina (richiede luce di sincrotrone) e dimostrare l’aumento della PP e quindi la riduzione delle dimensioni della shower, in particolare determinando la modifica della quantità di luce di scintillazione prodotta.

Bibliografia:

1. V. Baier, et al.,Electromagnetic Processes at High Energies in Oriented Single Crystals, 1998

2. L. Bandiera et al., arXiv:1803.10005

3. L. Bandiera et al., NIM B, 355 (2015) 44