Rivelatori

CHIMERA (Charged Heavy-Ion Mass and Energy Resolving Array) è un multi-rivelatore operante presso i Laboratori Nazionali del Sud, nella sua configurazione completa a 4π, fin dall’inizio del nuovo millennio [1,2]. Consiste in 1192 unità di rivelazione che fungono da “telescopi”, essendo costituite da un rivelatore di Silicio di spessore pari a circa 300 µm (primo stadio), seguito da un cristallo di CsI(Tl) di spessore variabile tra 12 e 3 cm, a seconda dell’angolo, letto da fotodiodo (secondo stadio). 688 telescopi sono distribuiti in 18 corone che coprono gli angoli polari tra 1° e 30° (parte in avanti), posti a grande distanza dal target al fine di avere una base di volo abbastanza lunga e una maggiore segmentazione in angolo solido nella regione in cui è maggiore il rate di rivelazione. La sperimentazione con i 688 telescopi, istallati nella camera di reazione CICLOPE dei LNS, è iniziata con successo già dal 1999 con l'esperimento REVERSE per lo studio di reazioni in cinematica inversa [3,4,5] I restanti 504 telescopi sono assemblati in una sfera di raggio pari a 40 cm che copre gli angoli polari tra 30° e 176°. In Figura 1 è mostrata una foto del multi-rivelatore CHIMERA all’interno della dedicata camera a vuoto. I differenti metodi di identificazione utilizzati in CHIMERA e illustrati in Figura 2 (ΔE-E, E-TOF, Discriminazione sulla base della forma del segnale sia sui silici che sui CsI(Tl)) permettono una completa rivelazione delle particelle cariche emesse nelle collisioni nucleari e una misura diretta della velocità per Z>≈2. Inoltre nei cristalli CsI(Tl) è possibile rivelare e identificare anche raggi gamma e, in alcuni casi, neutroni. Recentemente il gruppo CHIRONE Collaboration ha iniziato una fase di studio sulla rivelazione di neutroni con appositi rivelatori plastici di nuova generazione, tipo EJ276, al fine di sviluppare maggiormente le possibilità di rivelazione del segnale neutronico [6,7]. In Figura 3 sono riportati, in alto, un grafico di correlazione fast-slow generato con uno scintillatore EJ 299-33 irradiato con una sorgente di neutroni e gamma e, in basso, la proiezione lungo la componente slow per un intervallo di valori della componente fast. Sono previsti dei lavori e degli studi volti ad un Upgrade dell'elettronica dell'apparato CHIMERA

 

Figura 1: Foto del multi-rivelatore CHIMERA nella dedicata camera vuoto

Figura 2: illustrazione dei metodi di identificazione tipicamente usati in CHIMERA [1,2,22].

 

Figura 3: In alto, grafico di correlazione fast-slow generato con uno scintillatore EJ 299-33 irradiato con una sorgente di neutroni e gamma. In basso, proiezione lungo la componente slow per un intervallo di valori della componete fast [6,7].

2. La Fisica

Le elevate prestazioni di CHIMERA consentono di investigare differenti aspetti delle collisioni nucleari tra ioni pesanti alle energie intermedie. Gli esperimenti coinvolgono sia fasci stabili che fasci esotici prodotti per frammentazione in volo (FRIBS@LNS). Qui un elenco (non esaustivo) delle principali tematiche investigate:

• Studio della dipendenza dall’isospin e dalla massa dei meccanismi di reazione sia alle energie di Fermi [8,9,10,11] che a basse energia (≈10 AMeV) [12].
• Studio della dipendenza dall’isospin del termine di asimmetria dell'equazione di stato nucleare sia a bassa (LNS) [13] che ad alta densità nucleare (GSI-Darmstadt) [14].
• Studio dei processi di equilibrazione di Isospin alle energie di Fermi [15].
• Studio della popolazione e del decadimento dei nuclei, alla ricerca di strutture a cluster in nuclei esotici [16] e stabili [17,18].
• Studio del decadimento gamma della Risonanza Pygmy di Dipolo in isotopi neutron-rich quali ⁶⁸Ni [19].
• Studio della popolazione e decadimento di stati di interesse astrofisico, ad es. Hoyle state del ¹²C, sia in canali di decadimento gamma che in canali di decadimento a molte particelle [20].
• Studio della funzione di eccitazione della barriera di fusione con metodi indiretti (distribuzione dell’altezza della barriera di fusione) [21].
• Sviluppo di metodi di determinazione di densità nucleare in processi di frammentazione del neck [22].

 

Figura 4: Arricchimento in neutroni degli IMF emessi in processi di frammentazione del neck, rispetto ai frammenti emessi in processi sequenziali (a sinistra). Confronto della componente dinamica con un modello SMF per diverse parametrizzazioni dell'energia di simmetria (a destra) [13].

 

Figura 5: Schema della configurazione dell'esperimento PYGMY(a sinistra). Spettro dei raggi gamma rivelati con CHIMERA (punti blu) e confronto con un modello CASCADE (linea blu), in rosso il fondo (destra) [19].

 FARCOS

Il correlatore FARCOS (Femtoscope ARray for COrrelations and Spectroscopy) è un nuovo rivelatore sviluppato dalla collaborazione NewCHIM per lo allo studio di correlazioni, femtoscopia e spettroscopia e applicazioni ad esse connesse [23,24]. FARCOS è un sistema di rivelazione compatto e con, rispetto a CHIMERA, un piccolo angolo solido, la cui caratteristica principale è l’alta risoluzione angolare ed energetica e la modularità. Il modulo base di rivelazione è un telescopio costituito da due rivelatori al Silicio di spessori pari a 300 e 1500 um, con segmentazione dell’area di 64*64 mm^2 in 32 strip sia sulla direzione orizzontale che su quella verticale, seguiti da 4 scintillatori a CsI(Tl) di spessore pari a 6 cm. Posizionando i telescopi FARCOS a circa 1 m dal target di reazione è possibile avere una precisione di circa 0.1° sulla misura dell’angolo di emissione dei prodotti. Inoltre è possibile misurare con alta risoluzione coppie di particelle emesse a piccoli angoli/impulsi relativi. Poiché ciascun telescopio necessita di 132 canali di lettura, il Politecnico di Milano ha sviluppato, nell’ambito della collaborazione, dei pre-amplificatori compatti ad alta densità di canali basati su tecnologia integrata ASIC [25]. Sono stati sviluppati anche un nuovo e dedicato sistema di distribuzione delle tensioni di lavoro, e schede di filtraggio/accoppiamento dei segnali verso il sistema di read-out digitale GET. Durante l’esperimento CHIFAR, effettuato ai LNS a novembre 2019, sono stati usati 10 telescopi FARCOS in accoppiamento al multi-rivelatore CHIMERA. I metodi di identificazione usati sono sia la tecnica ΔE-E, che può essere applicata sia come ΔE_Sil300 vs E_Sil1500, sia come ΔE_Sil1500 vs E_CsI, sia l’analisi in forma del segane dei CsI(Tl) per discriminare le particelle leggere. Nel 2020 sarà possibile operare FARCOS nella sua configurazione finale costituita da 20 moduli. FARCOS è già stato utilizzato con successo in esperimenti sul decadimento della Risonanza Pygmy di Dipolo nel ⁶⁸Ni [19], e per lo studio degli effetti di cluster sia in nuclei esotici, quali ¹⁰Be e ¹⁶C, che in nuclei stabili alfa-coniugati quali ²⁸Si [18]. 

 

Figura 1: 10 telescopi FARCOS nella configurazione usata per l’esperimento CHIFAR ai LNS (Nov. 2019).

Figura 2: Schema espanso di un telescopio FARCOS e dei nuovi preamplificatori

 

Figura 3: Grafico di correlazione DE-E ottenuto con FARCOS nell’esperimento SIKO [18].

GET Electronics

A causa dell’altissimo numero di canali di rivelazione necessari per la nuova configurazione CHIMERA più FARCOS, l’utilizzo dell’elettronica standard di Front-End risulta onerosa e poco compatta. Per questo motivo i segnali di FARCOS e dei CsI(Tl) della sfera di CHIMERA sono ora letti e digitalizzati utilizzando l'elettronica GET [26]. A tal fine sono stati realizzati da parte della sezione di Catania appositi moduli di adattamento dei segnali di CHIMERA all’elettronica GET; al fine di ovviare al problema del limitato range dinamico dell’elettronica GET; i suddetti moduli producono due copie del segnale in ingresso, a guadagno diverso, permettendo quindi la digitalizzazione dei segnali su due scale diverse [24]. Il sistema di acquisizione ad oggi in uso, basato sul sistema NARVAL, permette di acquisire in parallelo eventi codificati dall’elettronica tradizionale CHIMERA basata su standard VME, ed eventi codificati dal sistema di codifica digitale GET [27].

 

 

Figura 1: Foto della scheda di dual gain (sinistra) e della sua connessione con una scheda ASAD del sistema GET (destra).

Figura 2: visione a blocchi dell’accoppiamento delle acquisizioni GET e VME

Referenze

[1] A. Pagano et al., Nucl. Phys. A 681, 331 (2001).

[2] A. Pagano et al., Nucl. Phys. A 734, 504c (2004).

[3] E. Geraci et al., Nucl. Phys. A 732, 173 (2004).

[4] E. De Filippo and Pagano A. Eur. Phys. Jour. A 50 (2014) 32.

[5] A. Pagano, Nuclear Physics News International, 22:1 (2012)25.

[6] E.V. Pagano et al., Nucl. Instr. and Methods A 889, 83 (2018).

[7] E.V. Pagano et al, Nucl. Instr. and Methods A 905, 47 (2018).

[8] E. DE Filippo et al., Phys. Rev. C 71, 044602 (2005).

[9] E. DE Filippo et al., Phys. Rev. C 71, 064604 (2005).

[10] F. Amorini et al., Phys. Rev. Lett. 102, 112701 (2009).

[11] G.Cardella et al., Phys. Rev. C 85, 012093 (2012).

[12] S.Pirrone et al., Eur. Phys. Jour. A 55, 22 (2019).

[13] E. De Filippo et al., Phys. Rev. C 86, 014610 (2012).

[14] P. Russotto et al. Phys. Rev. C 94, 034608 (2016).

[15] M. Papa et al. Phys. Rev. C 91, 041601(R) (2015).

[16] D. Dell'aquila et al, Phys. Rev. C 93, 024611c(2016).

[17] Ad.R. Raduta et al.,  Physics Letters B 705 (2011); B.Borderie et al., Phys. Lett. B 755 (2016).

[18] J. Bishop et al., Phys Rev. C 100, 034320 (2019).

[19] N.S. Martorana et al., Phys. Lett. B782 (2018) 112.

[20] G. Cardella et al., EPJ Web of Conf. 165, 01009 (2017).

[21] A. Trzcinska et al., Acta Phys. Pol. B 49, 393 (2018).

[22] A. Pagano et al., Eur. Phys. J. A 56, 102 (2020).

[23] E.V. Pagano et al., Eur. Phys. J. Web of Conf. 117 (2016) 10008.

[24] L. Acosta et al., Nucl. Instr. and Methods A in preparation.

[25] A. Castoldi et al., Il Nuovo Cimento C 41 C (2018) 168; A. Castoldi et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 64, no. 10, October 2017, pp. 2678-2682.

[26] E. Pollacco, Nucl. Instr. and Methods A 887, 81 (2018).

[27] E. De Filippo et al, IOP Conf. Series: Journal of Physics, 1014, 012003 (2018).