Schema dell’apparato sperimentale utilizzato in FOOT.
FOOT è stato progettato per essere un esperimento a target fisso: i fasci di interesse, con un’energia di centinaia di MeV, incidono su un materiale rappresentativo del tessuto umano (principalmente idrogeno, carbonio e ossigeno) e i frammenti prodotti vengono rilevati e misurati da un rilevatore multi-purpose.
Il setup elettronico di FOOT è finalizzato alla misura della sezione trasversale di produzione di frammenti con carica Z>3 in un’apertura angolare di 20°; la parti che lo compongono sono descritte di seguito.
Start Counter
Lo Start Counter è costituito da un foglio di scintillatore plastico EJ-204 posizionato 30 cm prima del bersaglio. Esso monitora il rate delle particelle primarie, fornisce il segnale di trigger per l’acquisizione e fornisce il tempo iniziale dell’evento. Quest’ultima informazione, insieme al tempo riportato dallo scintillatore nella regione più valle, fornisce la misurazione del tempo di volo (ToF). Poiché la misura del ToF è cruciale per poter identificare la massa dei frammenti con sufficiente risoluzione, lo Start Counter deve garantire una risoluzione temporale di circa 30-40 ps.
Beam monitor
Il Beam Monitor consiste in una camera a deriva composta da 12 piani di fili alternatamente orizzontali e verticali ed è riempita con gas Ar / CO2 80/20%. Grazie alla bassa densità del gas, la camera a deriva rappresenta il rivelatore ideale, poiché minimizza lo scattering multiplo di Coulomb e la produzione di frammenti al suo interno. La funzione del Beam Monitor è di misurare la direzione e il punto di impatto del fascio sul bersaglio, necessario per risolvere l’ambiguità dovuta al pile-up nel rivelatore di vertice.
Vertex
Il Vertex è il rivelatore di vertice ed è costituito da una sequenza di quattro chip di silicio MIMOSA28 (M28) appartenenti alla famiglia dei sensori a pixel monolitici attivi CMOS (MAPS), che vengono comunemente utilizzati per esperimenti di fisica delle particelle e degli ioni pesanti. Questo rilevatore è posizionato subito dopo il bersaglio (circa 0,5 cm), in quanto primo step di tracciamento dello spettrometro magnetico. Esso contribuisce a ricostruire la traccia dei frammenti nel campo magnetico per misurarne il momento e valuta la posizione del vertice per ogni evento , ovvero la posizione all’interno del bersaglio in cui il fascio ha interagito, dando origine ai frammenti.
Tracciatori
L’Inner Tracker è il secondo tracciatore dello spettrometro magnetico ed è situato tra i due magneti. Come il Vertex, l’Inner Tracker è composto da chip M28. La struttura impiegata è simile a quella implementata nel progetto PLUME: nell’impostazione di FOOT, otto moduli che ospitano quattro sensori M28 pixel ciascuno sono disposti in modo da implementare un tracciatore a due piani.
MSD
L’ultimo step di tracciamento è rappresentato dal Microstrip Silicon Detector (MSD), costituito da tre strati di micro-strisce di silicio mutuamente ortogonali. Il MSD è posto a valle rispetto ai magneti e a circa 35 cm di distanza dal target. Lo scopo di questo rivelatore è di fornire informazioni sulla posizione della traccia per contribuire alla ricostruzione del momento, ma fornisce anche informazioni sulla perdita di energia dei frammenti.
ToF
Il rivelatore a scintillazione è composto da due strati da 20 barre di scintillatore plastico (EJ200) orientati ortogonalmente l’uno rispetto all’altro. Ciascuna barra è lunga 40 cm, larga 2 cm e spessa 3 mm, ed è accoppiata ad entrambe le estremità fino ad un massimo di quattro fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) per mezzo di un colla ottica. Lo scintillatore ha lo scopo di misurare sia la perdita di energia che il tempo di passaggio del frammento, al fine di interrompere la misura del ToF iniziata dallo Start Counter. La risoluzione energetica ottenuta varia tra il 6% e il 13%, mentre la risoluzione sulla misura del tempo è di circa 30-40 ps per gli ioni carbonio e superiore a 100 ps per i protoni.
Calorimetro
Il calorimetro è il rivelatore più a valle ed è composto da 288 cristalli di bismuto germanato (BGO) accoppiati a dei SiPM. Questo rivelatore è progettato per misurare l’energia cinetica dei frammenti che terminano la loro corsa al suo interno. Test recenti hanno dimostrato che è possibile ottenere una risoluzione energetica relativa compresa tra 1% e 3%.
Emulsioni
Per misurare i frammenti leggeri (Z<3), i quali sono distribuiti con un’apertura angolare più ampia di quelli pesanti, viene impiegato un’altro setup sperimentale, basato su film di emulsioni.
Questa configurazione condivide la regione pre-target (Start Counter e Beam Monitor) con il setup elettronico descritto fin’ora, mentre il target, il sistema di tracciamento, lo scintillatore e il calorimetro sono sostituiti da uno spettrometro ad emulsioni che consente il rilevamento di frammenti prodotti con un angolo di emissione fino a 70° rispetto all’asse del fascio incidente. Lo spettrometro ad emulsioni è composto da tre sezioni.
- Rivalatore di vertice e tracciatore
Questa sezione è costituita da diverse celle elementari costituite da film di emulsione alternati a strati di carbonio o C2H4 spessi 1 mm. Questi strati passivi fungono da target, mentre le emulsioni ricostruiscono la posizione del vertice di interazione con una risoluzione micrometrica.
- Misura della carica
La seconda sezione è interamente composta da film di emulsioni ed ha l’obiettivo di ricostruire la carica di frammenti leggeri. La cella elementare è costituita da tre film di emulsioni, ognuno dei quali viene trattato con una diversa procedura di refreshing, la quale consiste nel mantenere le emulsioni per un tempo appropriato a una temperatura e un’umidità relativamente elevate, al fine di cancellare parzialmente o totalmente le tracce . Questo metodo consente di aumentare il range dinamico del rivelatore e identificare particelle con diversa perdita lineare di energia (H, He e nuclei più pesanti).
- Misura dell’energia e della massa
Nell’ultima sezione i film di emulsioni sono intervallati con strati di materiale ad alto Z (come piombo o tungsteno), al fine di far arrestare le particelle nel rivelatore. Lo scopo di questa sezione è determinare l’energia cinetica e la quantità di moto delle particelle misurandone l’intera traccia, valutandone il range e lo scattering multiplo di Coulomb. Conoscere l’energia e la quantità di moto permette quindi di identificare la massa della particella.