I rivelatori di particelle di ALTEA

Dopo aver visto il funzionamento generale di ALTEA in ALTEA: Come è fatto lo strumento voglio parlarvi un po’ più in dettaglio dei rivelatori di particelle. Il sistema di rivelatori di particelle di ALTEA (SDS, Silicon Detector System) è formato da 6 rivelatori uguali chiamati SDU (Silicon Detector Unit), che possono essere usati in diverse configurazioni (DOSI e Shield ad esempio). Vi ho già mostrato (in come ALTEA vede i raggi cosmici e Come ALTEA vede i raggi cosmici: lo spettro di energia) come appaiono il flusso e lo spettro di energia delle particelle rivelate.

Oggi voglio spiegare quale è la tecnologia che permette di rivelare le particelle cariche che compongono i raggi cosmici. Ogni SDU è denominata telescopio al silicio, perché, analogamente al telescopio ottico che permette di rivelare la luce, è in grado di osservare le particelle che lo attraversano. Un telescopio al silicio è un apparato formato da vari piani si silicio (con spessori tipici qualche frazione di millimetro, quelli di ALTEA sono spessi 380 mm ad esempio) che permettono di rivelare il passaggio dei raggi cosmici andando a misurare l’energia che questo perde (come visto qui e qui) quando attraversa il silicio stesso.

Come si misura l’energia rilasciata dalle particelle nel silicio? Al silicio viene applicata una differenza di potenziale (tecnicamente viene polarizzato inversamente) che nel caso di ALTEA vale 60V. Il passaggio di una particella carica provoca un certo numero di ionizzazioni (libera cioè degli elettroni, creando delle coppie elettrone-lacuna) negli atomi della struttura del silicio e il campo elettrico generato dalla differenza di potenziale di cui sopra fa migrare questi elettroni verso un amplificatore di carica. La carica letta dagli amplificatori è proporzionale all’energia rilasciata nel mezzo.

La prima domanda che viene spontanea è perché si usino molti piani sottili (che vuol dire molti amplificatori e una elettronica più complessa) piuttosto che un solo grosso blocco di silicio. Ci sono almeno due risposte.

La prima risposta è che molti piani sottili permettono una misura più fine dell’andamento del rilascio di energia in funzione dello spessore attraversato (la dE/dx descritta dalla formula di Bethe-Bloch) e permettono di avere una informazione maggiore rispetto alla sola energia totale che un singolo spessore di silicio permetterebbe. Questo permette ad esempio di distinguere particelle leggere che stanno frenando rispetto a particelle pesanti che vanno veloci.

La seconda risposta è che di solito i piani non vengono letti come un tutt’uno, ma sono divisi in strisce (strip). I piani di silicio consistono tipicamente in una giunzione np (che non approfondirò qui). Sono composti da un substrato drogato n e da uno strato sottile drogato p. Nei piani segmentati in strip lo strato di tipo p è diviso in strisce ognuna delle quali è collegata ad un elettrodo (ed un amplificatore ecc.). In questo modo quando una particella rilascia energia nel silicio, la carica viene raccolta dalla strip più vicina al punto di interazione. In questo modo, oltre alla misura dell’energia, tenendo conto di quale amplificatore ha un segnale in uscita diverso da zero, abbiamo anche una misura della posizione. Alternando l’orientamento della segmentazione, con una coppia di piani possiamo avere una misura x-y della posizione, e combinando diverse coppie di piani x-y si ottiene una serie di punti nello spazio che determinano la traccia di una particella. Una SDU di ALTEA è composta da tre coppie di piani x-y, ogni piano è formato da due silici quadrati da 8 cm di lato affiancati e segmentati in strip da 2.5 mm. Questo permette di avere una griglia da 32×64 posizioni su ogni piano coppia di piani. In totale abbiamo quindi 64 strip ogni piano, che moltiplicato per 6 piani fa 384 strip per ogni SDU e 2304 strip per l’intero SDS di ALTEA.

ALTEAschem

Schema dei silici all’interno di una SDU

Piani di silicio più avanzati possono avere entrambi i lati segmentati e quindi ottenere una misura x-y con un solo piano, oppure essere segmentati in microstrip, per ottenere una sensibilità maggiore sulla posizione. Se pensate che ALTEA abbia molte strip, pensate ad esempio che il rivelatore al silicio di CMS (esperimento di LHC recentemente salito alla ribalta per la possibile rivelazione del bosone di Higgs) conta qualcosa come 10 milioni di strip. Altri rivelatori possono combinare diverse tipologie di piani al silicio. Lo strumento Pamela ad esempio usa microstrip nel tracker elettromagnetico e strip nel calorimetro. AMS usa di nuovo le microstrip nel tracker elettromagnetico.

Una terza risposta è che piani multipli e segmentati possono identificare fenomeni di frammentazione, cioè quando le particelle da rivelare interagendo con gli atomi del rivelatore formano particelle secondarie. In questo caso avremo una sola traccia nei primi piani del rivelatore e tracce multiple negli ultimi piani.

Semplice no? Nel prossimo post vi parlerò delle criticità di questo tipo di rivelatori e delle strategie di analisi utilizzate in ALTEA.

Per approfondire:
Rivelatori

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2 risposte a I rivelatori di particelle di ALTEA

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