Il rivelatore dell'esperimento MEG
Il rivelatore dell'esperimento MEG è costituito da:

un fascio di circa 108 muoni per secondo (Fig.1), ottenuto dal decadimento dei pioni prodotti nell'interazione dei protoni dell'acceleratore del Paul Scherrer Institute (Fig.2) su un bersaglio di grafite;


Fig.1 La linea di fascio dell'esperimento MEG

Fig.2 Vista aerea del Paul Scherrer Institure

uno spettrometro magnetico, formato da un magnete superconduttore (''COBRA'') (Fig.3) e da sedici camere a deriva per la misura dell'impulso del positrone (Fig.4);


Fig.3 Il magnete superconduttore COBRA

Fig.4 Disegno schematico delle camere a deriva

un sistema di contatori a scintillazione, formato da 30 barre orizzontali e 320 fibre scintillanti, disposte in modo da formare un arco di circonferenza, per la misura del tempo di arrivo del positrone (Figg.5 e 6);


Fig.5 Disegno schematico del Timing Counter

Fig.6 Il Timing Counter al termine dell'assemblaggio. Sono visibili le fibre scintillanti ed i fototubi delle barre

un calorimetro elettromagnetico a Xenon liquido, equipaggiato con una matrice di 846 fotomoltiplicatori, (Figg. 7 e 8) per la misura dell'energia, della direzione e del tempo di arrivo del fotone tramite la luce di scintillazione prodotta da una particella carica quando attraversa il mezzo sensibile;


Fig.7 Il calorimetro a Xenon liquido al termine del montaggio

Fig.8 Il calorimetro a Xenon liquido visto dall'interno durante l'allestimento

un acceleratore Cockroft-Walton che produce un fascio di protoni di circa 0.5 MeV di energia (Figg.9 e 10). Tramite le reazioni del fascio di protoni con bersagli di Litio e Boro si ottengono fotoni di alta energia che costituiscono uno dei principali strumenti per la calibrazione in energia del calorimetro;


Fig.9 Linea di fascio per il trasporto dei protoni dell'acceleratore Cockroft-Walton al centro di MEG

Fig.10 Vista aperta dell'acceleratore Cockroft-Walton. Sono visibili i generatori di tensione e gli stadi di accelerazione. La luce violetta è prodotta dalla sorgente a plasma di idrogeno

un elaborato sistema di trigger (Fig.11) e di elettronica di acquisizione dati (Fig.12). Il sistema di trigger è basato sulla tecnologia FPGA ed utilizzando rapide valutazioni dell'energia del fotone, del tempo e della direzione relativa del fotone e del positrone riduce la frequenza di dati da registrare da alcuni MHz a circa 10 Hz, mantenendo un'efficienza sugli eventi di segnale di quasi il 100%; il sistema di acquisizione utilizza il chip DRS (Domino Ring Sampler) sviluppato al PSI per la digitizzazione delle forme d'onda con frequenza di campionamento, regolabile dall'utente, fino a 5 GHz;


Fig.11 Struttura gerarchica del sistema di trigger (in alto) e scheda di trigger di Tipo I (in basso)

Fig.12 Scheda del digitizzatore DRS

un complesso sistema di calibrazione (Fig.13) comprendente, da sinistra a destra e dall'alto in basso:
1) il già citato acceleratore Cockroft-Walton;
2) un sistema di sorgenti alpha montate su fili all'interno del rivelatore per fotoni;
3) un bersaglio ad idrogeno liquido che, accoppiato ad un fascio di pioni negativi, viene utilizzato per produrre la reazione di scambio carica: π- + p → π0 + n, seguita dal decadimento del pione neutro in due fotoni di energia compresa fra 55 e 83 MeV. Il fotone da 55 MeV, di energia molto vicina a quella del segnale atteso, può essere selezionato e rivelato nel calorimetro a Xenon liquido utilizzando un rivelatore ausiliario in coincidenza;
4) un fascio monocromatico di positroni che subiscono diffusione Mott per la calibrazione in energia ed angolo del sistema di camere;
5) il decadimento radiativo del muone, in cui sono emessi un positrone ed un fotone in coincidenza temporale, utilizzato per la calibrazione del tempo relativo fra positrone e gamma;
6) un sistema di contatori a scintillazione esterni all'apparato per rivelare i raggi cosmici che attraversano l'esperimento;
7) un generatore di neutroni.


Fig.13Vista d'insieme degli elementi del sistema di calibrazione dell'esperimento MEG.

Il calorimetro elettromagnetico rappresenta la parte più innovativa dell'esperimento MEG. L'uso dello Xenon liquido come materiale sensibile non è una assoluta novità, ma fino ad adesso l'utilizzo era stato limitato a rivelatori di piccole dimensioni, con masse di alcune decine di kg; il calorimetro di MEG occupa invece un volume di circa 1 m3, a cui corrisponde una massa di circa 3 tonnellate. Le camere a deriva ed i contatori a scintillazione utilizzano invece tecnologie tradizionali, ma il livello di prestazioni richieste per MEG è comunque notevolmente elevato. Per tutti i rivelatori di MEG è stato quindi necessario un lungo lavoro preliminare per verificare che le specifiche necessarie per l'esperimento potessero essere realizzate in pratica.



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