INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Nella settimana tra l’11 e il 17 Dicembre la collaborazione SHERPA ha effettuato un’importante misura nella sala 2 della BTF dei LNF. Si è trattato di un test per studiare la possibilità di deflettere la traiettoria dei positroni, le anti-particelle degli elettroni dotate di carica elettrica positiva, utilizzando cristalli di silicio curvati. Il fenomeno, che prende il nome di “channeling”, è ben noto ed utilizzato per esempio per protoni di alta energia al CERN.
La possibilità di estendere l’applicazione di questa tecnica a particelle leggere e di più bassa energia permetterà di rendere più semplici e meno costosi i sistemi di estrazione e di manipolazione di fasci di questo tipo. Questo aprirà nuove opportunità non solo per esperimenti di fisica fondamentale, ma anche per applicazioni nel campo tecnologico e della fisica medica.
SHERPA (Slow High-efficiency Extraction from Ring Positron Accelerator) è una collaborazione fra ricercatori dei LNF e della sezione INFN di Roma 1, finanziata dalla Commissione Scientifica quinta dell’INFN dal 2020 al 2022, per effettuare uno primo studio di fattibilità. A causa della pandemia COVID, l’attività prevista ha subito diversi rallentamenti e solo quest’anno è stato possibile completare il programma di misure.
Marco Garattini, P.I. del progetto, è molto orgoglioso del lavoro fatto: “Il “channeling” di positroni di questa energia non era ancora stato osservato. Credo di poter dire che questi risultati costituiscano un importante passo in avanti nel campo della fisica degli acceleratori. Ulteriore motivo di orgoglio è averlo fatto a Frascati, con un gruppo di giovani ed appassionati ricercatori, fortemente supportato da senior esperti e di affermato valore. Un aspetto tecnologico importante è stato quello di realizzare un supporto meccanico di precisione in grado di curvare i cristalli di silicio, dello spessore di 15 μm realizzati dalla sezione INFN di Ferrara, controllandone la curvatura senza danneggiarli. Per comprendere la difficoltà realizzativa, ma anche la fragilità di tali cristalli, basti pensare che sono spessi meno di un quinto di un normale foglio di carta da fotocopie!”.
Partendo da un progetto già realizzato presso i Laboratori Nazionali di Legnaro e dalla sezione INFN di Ferrara, Tommaso Napolitano, Responsabile del Servizio Progettazione e Costruzioni Meccaniche (SPCM) dei LNF, ha curato l’ottimizzazione e la realizzazione del sofisticato supporto.
Per caratterizzare il cristallo, ovvero la sua curvatura e l’efficienza di deflessione, è necessario che il fascio incidente sia il più possibile puntiforme e collimato, in modo da colpire il centro del cristallo in maniera molto precisa. A tal proposito, per ridurre la dispersione delle particelle incidenti, il team congiunto di SHERPA e SPCM ha studiato e realizzato un collimatore di 20cm di lunghezza con un’apertura di soli 0,25mm2.
Il supporto con il cristallo curvato è stato montato su un sistema di movimentazione remota in grado di effettuare spostamenti micrometrici ed è stato installato, insieme al collimatore, all’interno di una camera da vuoto pronto per essere esposto al fascio di positroni della BTF. Per misurare l’angolo e l’efficienza di “channeling”, a una distanza di circa 3m è stato infine posizionato un rivelatore a pixel di silicio (TimePix3) con il quale si è ricostruita in 2 dimensioni la distribuzione delle particelle dopo aver attraversato il cristallo.
“Un altro aspetto cruciale dell’esperimento è stato allineare con precisione inferiore al decimo di millimetro tutti i componenti del setup sperimentale: il collimatore, il cristallo ed il rivelatore a pixel. Obiettivo che è stato raggiunto, grazie ad un certosino lavoro di squadra dei membri di SPCM e SHERPA” commenta Tommaso Napolitano.
Dal canto suo, il team di BTF ha lavorato sull’ottimizzazione del fascio: “Abbiamo dovuto fare in modo che i positroni fossero collimati al massimo” spiega Luca Foggetta, responsabile scientifico della BTF. “Agendo sui magneti della linea siamo riusciti a ottenere un fascio con dimensioni trasverse di 0.8mm in X e 1.2mm in Y e ad allinearlo con il piccolo foro del collimatore di SHERPA”.
“I primi giorni della settimana sono stati dedicati all’allineamento dell’apparato di SHERPA rispetto al fascio e a definire le migliori condizioni sperimentali di misura” spiega Marco Garattini. “A partire da venerdì è cominciata la campagna di presa dati “cercando il channeling”, ossia variando il punto e l’angolo di incidenza dei positroni sul cristallo”.
L’acquisizione dei dati è poi proseguita con successo per tutto il fine settimana e adesso non resta che analizzare la grossa mole di dati raccolti per confrontarla con quanto prevedono le simulazioni MonteCarlo.
“Voglio ringraziare l’INFN per l’opportunità che ci è stata concessa, i LNF per il grande supporto e tutti i membri di SHERPA per averci sempre creduto”, conclude infine Marco Garattini.