Risultati ottenuti sui prototipi del rivelatore relativi alla prima fase dell'esperimento

Per il raggiungimento degli obiettivi scientifici di MEG è necessario utilizzare rivelatori ad elevate prestazioni, in grado di evidenziare eventuali segnali di decadimento del muone in elettrone e fotone, separandoli dal fondo dell'esperimento. La reiezione del fondo è ottenuta misurando con grande precisione le variabili cinematiche (energia, direzione e tempo di emissione) del fotone e dell'elettrone: in un decadimento μ → e + γ l'elettrone ed il fotone sono emessi simultaneamente, con un angolo relativo di 180⁰ ed hanno entrambi un'energia eguale a metà della massa a riposo del muone.
Tanto maggiore è la precisione nella misura di queste grandezze fisiche, tanto più efficiente risulta la discriminazione degli eventuali segnali rispetto al fondo e tanto più elevata è la sensibilità dell'esperimento. Le risoluzioni richeste sia per il calorimetro a Xenon liquido (di nuova concezione), sia per le camere a deriva e i contatori a scintillazione, sono notevolmente spinte, per cui si è reso necessario un lungo ed accurato lavoro preliminare per dimostrare sperimentalmente di poter raggiungere tali risoluzioni. Sono stati quindi costruiti alcuni prototipi degli elementi del rivelatore, su cui sono state misurate le risoluzioni ottenibili. In particolare il prototipo del calorimetro elettromagnetico (''Large Prototype''), con una massa di circa 100 kg, risulta il più grande rivelatore a Xenon liquido costruito finora ed è stato superato solo dal calorimetro finale. Tramite il Large Prototype (foto) è stato possibile esplorare in dettaglio le potenzialità offerte dalla tecnologia dello Xenon liquido su scale di volumi mai esplorate in precedenza.

Riportiamo qui una lista dei principali risultati ottenuti con i prototipi del rivelatore:

schema del ''Large Prototype'';

misura della risoluzione temporale intrinseca del calorimetro a Xenon liquido in funzione del numero di fotoelettroni;

misura della risoluzione energetica del calorimetro a Xenon liquido all'energia di 55 MeV;

misura della lunghezza di assorbimento della luce di scintillazione ultravioletta nel calorimetro finale;

misura della risoluzione temporale del Timing Counter (barre di scintillatore);

misura dell'uniformità di risposta temporale del Timing Counter (barre di scintillatore);

misura della risoluzione spaziale sul prototipo in scala ridotta delle camere a deriva.

Risultati ottenuti sui prototipi del rivelatore relativi alla fase di upgrade dell'esperimento MEG II

L'obiettivo scientifico di MEG II è assai ambizioso, perché corrisponde a guadagnare un ulteriore ordine di grandezza nella sensibilità sul rapporto di decadimento μ⁺ → e⁺ γ rispetto a MEG, che ha già migliorato i risultati ottenuti dai precedenti esperimenti di oltre un fattore 30. Per riuscire in questo intento è necessario incrementare ulteriormente le prestazioni (efficienza e risoluzione) dell'apparato o con opportune modifiche sui rivelatori originari o con la loro sostituzione con altri di più moderna concezione. Dato che per ciascuno di questi rivelatori si richiedono prestazioni vicine ai limiti superiori permessi dalla loro tecnologia costruttiva occorre verificare la possibilità pratica di soddisfare tali richieste tramite una serie di test, sia su prototipi in scala ridotta o naturale, sia sui rivelatori completi una volta giunti al termine della loro costruzione. Riportiamo quindi di seguito una serie di misure sperimentali e simulazioni tendenti a dimostrare che le risoluzioni necessarie per il successo di MEG II possono essere (ed in qualche caso sono già state) effettivamente ottenute.

misura della risoluzione di singolo hit della camera a deriva;
misura della perdita di guadagno in funzione della carica raccolta nella miscela di gas della camera a deriva;
simulazione della carica raccolta sulla faccia d'ingresso del calorimetro a Xenon liquido per MEG e MEG II;
simulazione della risoluzione energetica del calorimetro a Xenon liquido all'energia di 55 MeV in funzione della profondità per MEG e MEG II;
simulazione di una traccia di positrone da 52.83 MeV nel Timing Counter a piastrelle;
misura della risoluzione temporale in funzione del numero di piastrelle colpite (destra) e simulazione della distribuzione di tale numero (sinistra) nel nuovo Timing Counter;
misura della calibrazione e risoluzione temporale del rivelatore RDC in un test sul fascio al PSI;
ricostruzione ''on-line'' dello spettro dei fotoni al variare della soglia di acquisizione (sinistra) e finestra di coincidenza temporale (destra) del sistema di trigger di MEG II confrontata con l'analoga per MEG.