Il progetto di upgrade dell'esperimento MEG



  • Motivazioni

  • L'esperimento MEG nella sua configurazione iniziale ha terminato la sua acquisizione dati nel 2013 ed ha stabilito il nuovo limite superiore sul rapporto di decadimento del muone in elettrone e fotone pari a 4.2 x 10-13 al 90% di livello di confidenza. Il numero totale di muoni fermati nel bersaglio è 7 x 1014 e la sensibilità (calcolata su un gran numero di esperimenti simulati) è 5.2 x 10-13. Un ulteriore aumento di statistica, che si otterrebbe continuando ad acquisire dati, non consentirebbe di migliorare significativamente il limite ottenuto in quanto la sensibilità è ormai limitata dalla presenza del fondo accidentale. Per poter sperare di guadagnare un altro ordine di grandezza nella sensibilità è necessario pensare a delle modifiche sostanziali del rivelatori, che consentano di poter utilizzare un fascio di intensità almeno doppia tenendo sotto controllo il fondo accidentale. Il numero di eventi di fondo accidentale è proporzionale al quadrato dell'intensità del fascio, per cui cresce molto rapidamente all'aumentare di tale intensità, ed al prodotto di una serie di fattori, legati alle finestre che definiscono la regione di segnale e che diminuiscono al migliorare della risoluzione sperimentale. È quindi necessario intervenire sull'apparato sperimentale in modo da correggerne difetti e limiti emersi nella prima fase dell'esperimento per ottenere significativi incrementi di risoluzione.

    Le limitazioni principali dell'apparato evidenziatesi durante la prima fase di MEG riguardano soprattutto il tracciatore di positroni, in cui sia l'efficienza che la risoluzione sono risultate peggiori di quasi un fattore 2 rispetto alla proposta: l'inefficienza è stata prevalentemente dovuta all'arresto dei positroni in zone morte dell'apparato, quali la struttura delle camere o le schede dell'elettronica, che essi incontravano durante il loro cammino, mentre la risoluzione (angolare ed in momento) è stata degradata dalle perdite di energia e dalle deflessioni angolari subite dal positrone nel corso della traiettoria ed all'interno del bersaglio di arresto dei muoni e dalla limitata precisione nella ricostruzione della coordinata longitudinale, dovuta a segnali di piccola ampiezza ed alla presenza di scariche sulle strisce catodiche indotte dalla formazione di depositi di carica spaziale. Inoltre il positrone, uscendo dal sistema di tracciatura, percorreva alcune decine di cm senza alcun elemento attivo prima di raggiungere il Timing Counter; l'incertezza sulla lunghezza di traccia in questa zona senza rivelatori attivi contribuiva alla degradazione della misura del tempo.

    Per quanto riguarda il contatore di tempo (TC), oltre a migliorare l'accoppiamento con la camera per ridurre l'incertezza sulla lunghezza di traccia, si può agire anche sulla risoluzione temporale intrinseca rimpiazzando le barre di scintillatore, spesse circa 4 cm, con rivelatori più sottili, posizionati in modo da fornire ripetute misure temporali in corrispondenza di una stessa traccia.

    Anche le prestazioni del rivelatore di fotoni, pur se non troppo differenti, non hanno raggiunto quelle della proposta a causa principalmente della dipendenza della carica totale raccolta e della sua distribuzione dalla posizione del punto d'ingresso del fotone nel rivelatore. In particolare è risultata particolarmente critica la distanza dalla faccia d'ingresso del fotone del punto in cui il fotone stesso deposita la sua energia, cioè la "profondità" del punto di interazione, a causa della relativamente ridotta (35%) copertura di questa faccia da parte dei rivelatori attivi (fotomoltiplicatori).

    In base alle osservazioni precedenti è stata quindi elaborata una proposta di upgrade di cui ora riassumiamo i punti essenziali, confrontandoli con MEG. Il progetto corrispondente all'upgrade di MEG è denominato MEG II.



  • Confronto con MEG prima fase
  • Mostriamo in Fig.1 uno schema di confronto fra l'upgrade di MEG (in basso) ed il rivelatore utilizzato nella prima fase (in alto).

    • 1) La freccia più larga indica l'aumento dell'intensità del fascio, da 3 x 107 a 7 x 107 muoni positivi fermati nel bersaglio per secondo, necessario per raccogliere una maggior quantità di dati in un tempo minore;

    • 2) Il colore rosa più tenue indica il ridotto spessore del bersaglio, da 205 a 140 micron, che consente di diminuire la perdita di energia e la diffusione coulombiana multipla in una zona senza rivelatori attivi, che degradano la risoluzione;

    • 3) Nella vista frontale ed in quella laterale è evidenziata la struttura del nuovo apparato di tracciatura del positrone: il sistema di camere a deriva viene rimpiazzato da una camera a deriva cilindrica di volume unico, lunga circa 2 m ed equipaggiata con 1920 fili di segnale disposti in configurazione stereo e tenuti a tensione positiva. La funzione dei catodi è svolta da oltre 10000 fili tenuti a massa, che definiscono il campo elettrico all'interno della camera e creano una cella di deriva attorno a ciascun cavo di segnale. La camera è equipaggiata con una miscela di gas elio ed isobutano a grande lunghezza di radiazione per minimizzare le perdite di energia dei positroni nella camera. La quasi totale mancanza di spazi morti nel percorso del positrone elimina la principale causa di inefficienza osservata in MEG;

    • 4) Dalla vista laterale appare evidente come l'estensione longitudinale della camera copra quasi interamente il Timing Counter, riducendo la lunghezza della porzione di traccia del positrone dal punto di uscita dalla camera al TC a pochi cm;

    • 5) Il TC appare più sottile perché le barre vengono rimpiazzate da sottili "piastrelle" di scintillatore, equipaggiate con Silicon Photomultipliers (SiPM) e disposte quasi perpendicolarmente alla traiettoria tipica di positroni con energia superiore a 50 MeV. Il vantaggio di questa configurazione è che mediamente vengono attraversate dalla traccia 8 o 9 piastrelle, ciascuna delle quali fornisce una misura di tempo indipendente; la risoluzione sulla misura del tempo del positrone è quindi proporzionale all'inverso della radice quadrata del numero di piastrelle colpite;

    • 6) L'accettanza del rivelatore di fotoni viene incrementata allargando la faccia d'ingresso e modificando la posizione dei fotomoltiplicatori delle facce laterali, il cui fotocatodo viene disposto parallelamente all'inclinazione delle facce stesse;

    • 7) I fotomoltiplicatori nella faccia d'ingresso del rivelatore di fotoni vengono rimpiazzati da SiPM quadrati di 1.2 cm di lato, in modo da ridurre gli spazi morti nella faccia d'ingresso. Inoltre l'aumento di granularità del rivelatore riduce la dipendenza dal punto d'interazione della risoluzione in energia e posizione, migliorandole e rendendole più uniformi. Infine, essendo i SiPM di spessore minore dei fotomoltiplicatori, la perdita di energia dei fotoni nell'attraversare i SiPM stessi è inferiore, per cui l'efficienza di rivelazione del fotone aumenta di qualche percento.


    Fig.1 Confronto schematico fra i rivelatori dell'upgrade di MEG e quelli della prima fase

    Anche i sistemi di trigger e di acquisizione dati sono modificati in maniera sostanziale a causa del maggior numero di canali presenti (per es. i SiPM del rivelatore a Xenon liquido sono 4092, mentre i fotomoltiplicatori della faccia d'ingresso di MEG erano 192), della necessità di disporre di una maggiore larghezza di banda e di una lettura più rapida imposta dall'aumento del numero di muoni arrestati nel bersaglio per unità di tempo. A tale scopo è stata progettata una scheda elettronica di nuova concezione, la WaveDREAM board, che integra in una sola unità le funzioni di trigger, elettronica di acquisizione, digitizzazione e smistamento delle alte tensioni.
    Infine in MEG II sarà presente un nuovo rivelatore, chiamato RDC (Radiative Decay Counter), per l'identificazione di positroni di bassa energia emessi durante un decadimento radiativo del muone in coincidenza con un fotone di alta energia, che potrebbe contribuire al fondo casuale insieme ad un positrone di alta energia emesso in un usuale decadimento del muone. Questo rivelatore è formato da due strati di scintillatore, uno plastico e l'altro inorganico (LYSO).



    Riportiamo nella tabella seguente il confronto fra le prestazioni ottenute nella prima fase di MEG e quelle previste per l'upgrade MEG II.


  • Alcune immagini dei rivelatori in fase di montaggio o test (novembre 2017).

  • Mostriamo di seguito alcune fotografie dei rivelatori durante la fase di montaggio.



    Fig.2 Vista artistica dei rivelatori di MEG II

    Fig.3 La faccia frontale del rivelatore a Xenon liquido equipaggiata con i SiPM


    Fig.4 La nuova camera a deriva cilindrica di MEG II durante l'allestimento nei laboratori INFN della sezione di Pisa a S.Piero a Grado

    Fig.5 Una delle due sezioni del nuovo Timing Counter a piastrelle in tre diversi momenti del suo montaggio


    Fig.6 Il rivelatore RDC installato durante un test al PSI

    Fig.7 La nuova scheda elettronica integrata WaveDREAM ed il suo schema circuitale (in alto)


    Cliccare qui per una serie di risultati sperimentali ottenuti sui prototipi.



  • Sensibilità prevista

  • La sensibilità prevista per MEG II è mostrata in Fig.8 in funzione del tempo di acquisizione. Il limite superiore sul rapporto di decadimento μ+ → e+ + γ stabilito da MEG è riportato per confronto. Si può notare come in tre anni di presa dati, con l'apparato previsto per la fase di upgrade MEG II dovrebbe migliorare il precedente limite di quasi un ordine di grandezza.

    Fig.8 Sensibilità prevista per MEG II in funzione del tempo di acquisizione dati