PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (D.M. 19 marzo 2010 n. 51)

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1 MINISTERO DELL'ISTRUZIONE DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA Dipartimento per l'università, l'alta Formazione Artistica, Musicale e Coreutica e per la Ricerca Direzione Generale per il Coordinamento e lo Sviluppo della Ricerca PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (D.M. 19 marzo 2010 n. 51) PROGETTO DI UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B Anno prot. 2009W2LXP8_ Area Scientifico-disciplinare 02: Scienze fisiche 100% 2 - Coordinatore Scientifico BIGNAMI GIOVANNI FABRIZIO Professore Ordinario I.U.S.S. - Istituto Universitario di Studi Superiori - PAVIA Classe di SCIENZE e TECNOLOGIE Dipartimento di IUSS -- PAVIA 3 - Responsabile dell'unità di Ricerca SACCO BRUNO Dirigente di ricerca 05/02/1947 SCCBRN47B05G273R Istituto Nazionale di Astrofisica Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica IASF-PA (Prefisso e telefono) (Numero fax) bruno.sacco@iasf-palermo.inaf.it 4 - Curriculum scientifico Testo italiano

2 Bruno SACCO : Curriculum Vitae et Studiorum Nato a Palermo il 5 febbraio 1947 Posizione attuale: Dirigente di Ricerca presso lo IASF-Palermo/INAF INDIRIZZO: Via U. La Malfa 153, Palermo, Italia Tel.: FAX: E_mail bruno.sacco@iasf-palermo.inaf.it Studi e carriera 1970: Laurea in fisica 1971: Borsa di studio CNR : Servizio di leva militare Ricercatore presso IFCTR/CNR, Palermo 1976: Borsa di studio della Von Humboldt Stiftung presso il Max Planck fuer Extraterrestrische Physik, MPE, (Garching, Monaco di Baviera,Germania) Direttore dell IFCAI/CNR, Palermo ad ora Direttore dell IASF-Palermo/INAF Collaborazioni, responsabilità e posizioni in organismi direttivi di missioni spaziali o esperimenti: Membro della Caravane Collaboration del satellite ESA per Gamma Astronomia COS-B Responsabile scientific dell esperimento in pallone stratosferico FIGARO (French Italian Gamma Ray Observatory) Responsabile del MECS (Medium Energy Concencetror Spectrometer) a bordo della missione spaziale ASI Beppo-SAX Membro del Comitato Scientifico Direttivo di Beppo SAX of Co-I di IBIS, telescopio Gamma a bordo della missione spaziale ESA INTEGRAL Coordinatore Italiano per lo studio di Fase A della missione ESA EUSO Membro del Comitato Direttivo internazionale della missione EUSO ad ora: Membro del Comitato Direttivo di GAW ad ora: Membro della Collaborazione MAGIC ad ora: Membro del Comitato Direttivo dell esperimento MAGIC ad ora: Membro della Colaborazione CTA ad ora: Membro del Comitato Direttivo del CTA 2010: Membro of the Comitato Direttivo per la fase preparatoria del CTA 2010: Incaricato dal MIUR come Responsabile italiano per la partecipazione alla fase preparatoria del CTA Participazione a missioni spaziali : COS-B ( ), Missione ESA di Astronomia Gamma SAX ( ), Missione ASI di X-Astronomia X Esperimenti su Pallone stratosferico: Camera a scintille Italo-francese, E> 50 MeV, , Milo Sicilia Pallone per X-Astronomia MPE (Garching), Palestine, 1976 FIGARO, Esperimento Italo Francese di Gamma Astronomia al MeV, 1986,1990, Milo Sicily, 1988 Charlesville, Australia Astronomia-X, attività sperimentale. Partecipazione alla costruzione e calibrazione di esperimenti pe astronomia X in pallone; Misure di scattering e riflettività di raggi x da superfici metalliche al fascio-x del MPE, Garching,Germania); Progetto e sviluppo di ottiche ad incidenza radente per i telescopi LECS e MECS della missione ASI BeppoSAX;

3 Calibrazione del MECS al fascio-x Panter (Monaco di Baviera, Germania) Astronomia-Gamma, Attività sperimentale: Progetto e calibrazione del rivelatore di FIGARO Astronomia al TeV: GAW (Ganmma Air Watch), telescopio prototipo per un grande campo al ( ) MAGIC, 2 telescopi Cherenkov di 17 mt (La Palma, Canarie,Spagna, ) CTA, Cherenkov Telescope Array, progetto e sviluppo di telescopi per la futura astronomia al TeV. Raggi Cosmici di Energia Estrema: Partecipazione al progetto per il telescopio di EUSO Simulazione della performance del telescopio di EUSO nella discriminazione tra neutrino ed adroni. Mmisure UV di luce diffusa notturna (night Sky Background Astronomia-X, analisi di dati: Scoperta della prima riga astrofisica di ciclotrone da Hercules X-1 con un esperimento in Pallone lanciato da Palestine USA. Studi di emissione X da radio-pulsar con il satellite BeppoSAX Studi di morfologia X di supernovae con il satellite BeppoSAX Ricerca di controparti X con i satelliti BeppoSAX e RossiXTE delle sorgenti non identificate di EGRET. Astronomia ai raggi gamma, analisi di dati: Studi sull emissione gamma da Radio Pulsar con COS-B e FIGARO Ricerca di emissione pulsata da sorgenti gamma con il satellite COS-B Studio della riga di annichilizione (e+,e-) dal Centro Galattico con l esperimento FIGARO Testo inglese Bruno SACCO : Curriculum Vitae et Studiorum Born in Palermo, February 5th, 1947 Present Istitution: IASF-Palermo/INAF Address: Via U. La Malfa 153, Palermo, Italy Tel.: FAX: E_mail bruno.sacco@iasf-palermo.inaf.it Sudies and professional positions: 1970: Degree in physics 1971: CNR fellow Militar service Researcher at IFCTR/CNR, Palermo 1976 Von Humboldt Stiftung fellow at Max Planck fuer Extraterrestrische Physik, MPE, (Garching, Munich,Germany) Director of IFCAI/CNR, Palermo up to now Director of IASF-Palermo/INAF Collaborations, responsibilities and board membership Member of the Caravane Collaborationof COS-B, ESA satellite for Gamma-ray astronomy Responsible of the balloon experiment FIGARO (French Italian Gamma Ray Observatory)

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5 REM, HST, SPITZER), ci consente di poter studiare, per la prima volta praticamente in simultanea, le sorgenti su quasi tutto lo spettro elettromagnetico. Tuttavia, per poter sfruttare al meglio le opportunità offerte da tale contesto, è oltremodo necessario che venga sviluppata una nuova generazione di strumenti a terra per l'osservazione dei raggi gamma di altissima energia, in modo da incrementare significativamente, anche ad altissime frequenze, la sensibilità, la banda energetica osservata, il campo di vista e ridurre il tempo di integrazione. Il Cherenkov Telescope Array (CTA) di prossima generazione migliorerà in maniera significativa la "performance" degli attuali telescopi, migliorando la sensibilità limite di circa un fattore dieci grazie al progetto modulare formato da diverse repliche di tre tipi di telescopi: un Large Size Telescope (LST)con diametro di 24 m ottimizzato per le energie tra 10 e 200 GeV,un Medium Size Telescope(MST)con diametro di 12 m ottimizzato per le energie comprese tra 200 GeV e 10 TeV ed uno Small Size Telescope (SST)con diametro di 4-7 m la cui missione scientifica è quella di esplorare la banda alta di energia (E > 10 TeV), per studiare in paricolare i processi di accelerazione delle particelle direttamente in situ, cioè nelle regioni di formazione dei raggi cosmici (Supernovae); i risultati daranno un contributo determinante al paradigma dei Raggi Cosmici fino alle energie del ginocchio, rispondendo ai quesiti sui meccanismi di accelerazione, sui processi di diffusione e sulle massime energie raggiungibili. Il carattere esploratorio di questa parte della fisica del CTA (i gamma astrofisici di più alta energia misurati fino ad ora arrivano a poche decine di TeV)la rende particolarmente affascinante anche per la possibilità di nuove ed inaspettate scoperte nel campo della fiisica astro-particellare. I gruppi INAF partecipanti a questa proposta hanno tutte le competenze necessarie per la realizzazione dei piccoli telescopi: competenze teoriche nell'astrofisica delle alte energie e nella fisica dei raggi cosmici, capacità di sviluppi tecnologici per gli specchi più adatti a questo tipo di telescopi (si dovranno infatti realizzare specchi per superfici di alcune migliaia di metri quadri, quindi particolarmente adatta è la tecnica di replica nata in INAF, Osservatorio di Brera, in collaborazione con l'industria italiana che ne è ora leader mondiale), competenze sui sensori e sulla elettronica particolarmente avanzate per l'esperienza dei gruppi INAF dello IASF di Palermo e Milano e dell'osservatorio di Catania sulla sensoristica veloce (nanosecondo) ed altamente segmentata adatta alla rivelazione del lampo di luce Cherenkov emesso dallo sciame nell'attraversamento dell'atmosfera terrestre. Sono inoltre presenti competenze nella simulazione Montecarlo dello sviluppo dello sciame in atmosfera (IFSI di Torino) e nel trattamento dei dati (Osservatorio di Monte Porzio)anche in relazione a studi di multifrequenza e alla diffusione dei dati verso una comunita con profonde competenze in astrofisica delle alte energie ma non necessariamente esperta in tecniche Cherenkov. Nel Dicembre 2009 un ampio Consorzio che ragguppa 129 Istituti di 22 Paesi diversi ha sottomesso una proposta presso la Commissione Europea nell ambito del Settimo Programma-Quadro (FP7) con lo scopo di ottenere finanziamenti per la Fase Preparatoria di CTA (CTA-PP, FP7-INFRASTRUCTURES ). La proposta e stata accettata ed e ora nella fase di negoziazione presso la Commissione Europea. Nell'ambito di questa proposta INAF ha posizioni di responsabilità quali la guida del pacchetto di lavoro relativo al "Procurement" e la guida del pacchetto di lavoro relativo al design ottico, struttura meccanica, movimentazioni e specchi del piccolo telescopio. Testo inglese Despite its relative youth, TeV astronomy has already achieved exceptional results with deep and surprising implications on the related theoretical models. Thanks to the high sensitivity of the present Cherenkov telescopes (H.E.S.S., MAGIC, VERITAS e GANGAROO) an unexpected sky has been revealed at TeV energies and a catalogue consisting of about 100 sources is now available. Moreover, in order to study high-energy (HE) gamma-ray

6 sources, two satellites (AGILE and Fermi) have been operative for more than two years, and they demonstrated to be well suited for the broad-band investigations of VHE sources. Thanks to many X-ray experiments already in orbit (e.g., Chandra, XMM-Newton, Swift) and to several more new ground-based optical and infrared instruments (e.g., REM, HST, SPITZER), it will be possible to study the Universe, for the first time, all over the electromagnetic spectrum almost simultaneously. In such a scenario, a new generation of ground-based VHE gamma-ray instruments is needed in order to significantly improve the sensitivity, the observed energy band, the field of view, and to reduce the integration time. The next generation Cherenkov Telescope Array (CTA) will significantly improve the performance of the current VHE telescopes by a factor of about ten in sensitivity, because of a modular design of its telescope array, with three different telescope types, namely, the Large Size Telescopes (LST),24 m diameter, optimized for the energy interval 10 GeV -200 GeV, the Medium Size Telescope (MST), 12 m diameter, optimized for the energy interval 200 GeV - 10 TeV and the Small Size Telescope (SST),diameter 4-7m optimized to explore the high energy interval above 10 TeV. One of the main scientific aims of such a telescope is to study the acceleration processes directly where the Cosmic Rays are generated (Supernovae); as matter of fact that "in situ" observations will give fundamental contributes to Cosmic Ray paradigma just below the knee energy. The answers to open questions about acceleration mechanisms, particle diffusion processes and maximum energy reachable in the Galactic objects are the true challenge of this component of the CTA full array. The SST, because of its exploratory characteristics, is particularly appealing for the possibility of new and unexpected discoveries also in the field of the astro-particle physics. The INAF scientists participating to CTA project have all the skill to lead the SST design study :theoretical competences in high energy astrophysics and Cosmic Ray physics, expertise in the scientific data analysis, competences in the mirror technology suitable for Cherenkov telescopes, because of the large amount of mirrors necessary, thousands square meters, it seems particularly convenient to use a replica technique developed at Brera Observatory in collaboration with Italian industry which now is a world leader. Furthermore, scientists of the IASF Institutes of Palermo and Milan together with the colleagues of the Catatania Observatory are expert in very segmented sensors and fast electronics suitable for detecting rapid (nanosecond) flash of Cherenkov light produced by the electromagnetic showers crossing the terrestrial atmosphere. Scientists in IFSI of Turin study the performance of SST by using end to end simulation techniques; data handling also referred to multi-frequency studies is developed in the Observatory of Monte Porzio where a deep expertise is present also in data distribution towards a world community not necessarily expert in Cherenkov data analysis. In December 2009 a large Consortium encompassing 129 Institutions from 22 Countries submitted a proposal to the European Commission within the 7th Framework Program (FP7) for the Preparatory Phase for the Cherenkov Telescope Array (CTA-PP, FP7- INFRASTRUCTURES ). The proposal was accepted and it is now in the Negotiation Phase with the European Commission. In this framework INAF manages responsibility tasks as the leadership of the Work Package relative to the industrial "Procurement" and the leadership of the Work Package SST Structure (Optical design, mechanical structure, motorization, mirrors). 8 - Settori di ricerca ERC (European Research Council)

7 PE Mathematics, physical sciences, information and communication, engineering, universe and earth sciences PE9 Universe sciences: astro-physics/chemistry/biology; solar system; stellar, galactic and extragalactic astronomy, planetary systems, cosmology; space science, instrumentation PE9_10 High energy and particles astronomy - X-rays, cosmic rays, gamma rays, neutrinos PE9_17 Instrumentation - telescopes, detectors and techniques 9 - Parole chiave Testo italiano ASTRONOMIA GAMMA STRUMENTAZIONE ASTRONOMICA Testo inglese GAMMA-RAY ASTRONOMY ASTRONOMICAL INSTRUMENTATION 10 - Stato dell'arte Testo italiano L'INAF ha una lunga tradizione ed esperienza nel campo della Astrofisica delle alte energie e sta correntemente partecipando ad esperimenti Cherenkov internazionali, quali MAGIC e GAW [1,2], fornendo sia supporto scientifico sia tecnologico. L'attività su MAGIC, svolta in stretta collaborazione tra INAF e INFN,rappresenta un importante punto di incontro tra queste due comunità. Il contributo INAF in CTA [1] riflette la lunga esperienza che hanno i suoi ricercatori nel campo dell'astrofisica delle Alte e delle Altissime Energie sia dal punto di vista tecnologico sia da quello osservativo e teorico-interpretativo anche in studi di multifrequenza. In vista del CTA, particolarmente attraente è lo studio e l implementazione del piccolo telescopio SST. Lo SST è necessario per spingere la curva di sensibilità del CTA al di sopra di qualche TeV fino a circa 100 TeV per lo studio dei fenomeni fisici alle altissime energie, in particolare per le sorgenti estese come ad esempio i resti di Supernova SNRs. Per raggiungere questo obiettivo è necessario implementare una array di SST in grado di coprire una superficie di circa 4-10 km quadrati, con un costo complessivo non superiore a circa 20M. Le altre caratteristiche di particolare rilievo sono l elevato numero di telescopi SST da implementare nell array (circa 100) che consentiranno una elevata molteplicità e quindi di migliorare sensibilmente la risoluzione angolare del CTA, una curva di risoluzione angolare costante attraverso l ampio campo di vista di cui devono essere dotati tali telescopio piccoli (circa 10 di diametro) osservando prevalentemente sciami Cherenkov fuori asse.

8 I telescopi Cherenkov di tipo Davies-Cotton DC non possono in genere ottenere campi di vista più grandi di 3-5 a causa delle aberrazioni ottiche e dell'ostruzione del detector sullo specchio. Questa limitazione più essere sorpassata aumentando sensibilmente la focale del telescopio, a scapito di un aumento degli sforzi e degli stress a cui è sottoposta la struttura stessa. Alternativamente, è possibile pensare all utilizzo di telescopi a grande campo aplanatici basati su un design a due specchi del tipo Schwarzschild--Couder SC [3]. Due opzioni sono attualmente oggetto di studio nell'ambito del progetto CTA: - un array composto di circa 30 telescopi Davies-Cotton DC con 7 m di diametro e con lunghezza focale di 10 m; - un array composto di circa 100 telescopi Schwarzschild-Couder SC con specchio primario del diametro di 4 m, il cui design è stato in primo luogo proposto e progettato da INAF in collaborazione con BCV Progetti (vedi figura 1). Il vantaggio principale della configurazione SC è una scala di piano focale molto più piccola, permettendo una consistente riduzione del peso e del costo della camera invece dominante nella configurazione DC. Si prevede che la riduzione dei costi della camera permetta la costruzione di un maggior numero di telescopi con una più stretta spaziatura. Inoltre, la risoluzione angolare attraverso il campo di vista è molto migliore rispetto al caso DC (1 mrad vs. 3 mrad). A tale proposito, INAF è attualmente responsabile della progettazione ottica, meccanica e degli specchi del telescopio SST all interno della collaborazione CTA. Il gruppo specchi di INAF-OAB ha sviluppato una nuova tecnica per la produzione di ottiche segmentate particolarmente adatte ai telescopi Cherenkov: questa tecnica è denominata slumping a freddo [4], illustrato in Figura 2.

9 Il procedimento costruttivo dei pannelli ottici è basato sul concetto della replicazione accurata di uno stampo. Una matrice viene prodotta tramite una lavorazione al diamante ed avente un profilo negativo (convesso) rispetto a quello desiderato per il pannello ottico finale. Questa è utilizzata per impartire ad un sottile foglio di vetro la forma (concava) sfruttando una suzione a vuoto. Il foglio di vetro incurvato è quindi fissato ad una struttura rigida e ad un altro foglio in vetro per formare una struttura a sandwich (vedi figura). Questo approccio è molto interessante perché permette la produzione in massa con tempi molto contenuti (per es. uno specchio al giorno per stampo disponibile) con bassi costi e pesi. Questa tecnica e' stata sviluppata da INAF-OAB in collaborazione con la ditta Media-Lario ed in stretto contatto con il gruppo INFN dell'università di Padova. Questa attività ha portato alla produzione di oltre 100 specchi attualmente installati sul telescopio Cherenkov più grande al mondo MAGIC-II [5], mostrato in Figura 3. Nel contesto dello SST, questa tecnica dovrebbe essere ulteriormente indagata e

10 migliorata, puntando ad ottenere performances ancora più spinte con la possibilità di usare anche profili asferici e curvature molto accentuate. In aggiunta, INAF-OAB sta studiando l'uso di una tecnica di slumping a caldo specificamente rivolta alla realizzazione degli specchi per i telescopi piccoli [6-10]. Questo approccio sfrutta ancora il concetto di replicazione accurata di uno stampo e prevede la realizzazione di pannelli ottici con struttura a sandwich, come illustrato in Figura 4. Tuttavia, le lastre di vetro sono in questo caso formate tramite un processo termico ad hoc prima di essere fissate alla struttura di rinforzo che costituisce il pannello (vedi figura). Questo approccio ha le potenzialità di fornire specchi di elevata precisione aventi profili asferici e marcata curvatura. Pur mantenendo contenuto il costo ed il tempo di produzione, così come la densità areale. Gli Istituti IASF di Palermo e Milano assieme all'osservatorio astrofisico di Catania sono coinvolti nello studio di rivelatori di piano focale per telescopi Cherenkov consistente in un array modulare di fotomoltiplicatori multi-anodo [11] (MAPMT, vedi Figura seguente a sinistra) accoppiati ad una elettronica di lettura ultraveloce (Figura seguente a destra)

11 come richiesto dalle specifiche dei segnali di luce rivelati dai telescopi Cherenkov di nuova generazione. Sono stati già sviluppati elementi modulari operanti in modalità di Single Photon Counting, come mostrato nella Figura seguente. Questa tecnica permette un efficiente rivelazione dei deboli segnali di radiazione Cherenkov in presenza di un fondo-cielo notturno (Night Sky Background).

12 Nell'ambito dello studio dello SST, INAF collabora alla parte di simulazione e studio Monte Carlo del CTA. In particolare, IFSI-To e' impegnato nella creazione di una banca dati di sciami estesi atmosferici nell intervallo di energia tra 1 TeV e 100 TeV, analizzando le caratteristiche delle diverse configurazioni sperimentali in termini di discriminazione adrone/gamma, risoluzione angolare ed energetica. Una cura particolare verrà rivolta all uso di ottiche a largo campo, non solo mirata alla copertura totale del cielo e alla scoperta di sorgenti inaspettate, ma anche per contenere l immagine Cherenkov degli sciami di più alta energia con il core lontano dai telescopi. Questo lavoro verrà condotto in collaborazione con studi similari attualmente in corso di sviluppo presso la Collaborazione CTA e coordinati dal Regno Unito. INAF-OA Roma (OAR) ha una lunga esperienza nella creazione, uso e mantenimento di archivi di dati scientifici e databases (e.g. Progetto DIANA, archivi scientifici di REM ed LBC) oltre ad una lunga tradizione nel campo dell analisi di dati gamma, X ed ottici. Inoltre, dal 2005, OAR partecipa alle attività tecnico/scientifiche dell'asi Data Center (ASDC) e dal 2007 partecipa attivamente all'esperimento MAGIC. Il gruppo OAR è anche coinvolto nelle attività CTA fin dall inizio del progetto con una responsabilità diretta nei Work-Package OBS e DATA ed in particolare nel WP DATA segue la parte di Archiviazione ed Analisi Dati del CTA in un contesto multifrequenza e di Virtual Observatory. Testo inglese INAF has a long lasting experience in the field of high-energy astrophysics. INAF is currently participating in projects in the VHE gamma astrophysics including Cherenkov experiments (e.g. MAGIC and GAW)[1,2] providing both technological and scientific support. INAF scientists are also participating to the CTA Project [1]. This project is

13 carried out in strict collaboration with their Italian colleagues from INFN as well with other scientists from many European and extra-european Institutions. The INAF contribution to CTA reflects its background and know-how in the field of VHE astrophysics, VHE technologies, space- and ground-based observatories management and operations, multiwavelength observations and data analysis. In the framework of CTA, particularly attractive is the study and implementation of the small telescope SST. SST is required to achieve the goal sensitivity above a few TeV up to about 100 TeV to study the very high energy band, in particular for extended sources as e.g. SNRs. To reach this goal it is necessary to implement an array of SSTs covering an area of 4-10 km squared, with a maximum cost of about 20M. Other relevant features are the high number of telescopes to be implemented (about 100) which translate in a large multiplicity and an enhance of the angular resolution of CTA, an almost flat angular resolution across the telescope s field of view (about 10 in diameter) since these telescopes will observe mainly off-axis showers. In Cherenkov telescopes with a Davies-Cotton DC optical design in general it is not possible to achieve larger field of view than 3-5 due to optical aberrations and geometrical obstruction of the camera. This limitation can be overcame with a sensible increase of the telescope s focal length, paying this with an increase of the stresses and torques on the structure. Alternatively, it is possible to use wide field aplanatic telescopes based on double reflection optical designs such as the Schwarzschild-Couder SC [3]. Two options are currently under investigation within the CTA design study: - an array of about 30 telescopes Davis-Cotton DC with a single dish of diameter 7 m with focal length 10 m; - an array of about 100 telescopes Schwarzschild-Couder SC with primary mirror diameter close to 4 m, whose design has been firstly proposed and designed by INAF in collaboration with BCV Progetti (see figure 1). The main advantage of the SC layout is a much smaller plate scale, allowing a consistent reduction of the camera weight and cost (dominant in the DC). It is expected that the camera cost reduction will allow the construction of a larger number of telescopes with closer spacing. Moreover, the angular resolution across the field is much better than the DC case (1 mrad vs 3 mrad). In this regard, INAF is currently responsible for optical and mechanical design, and mirrors of the SST telescope within the CTA collaboration.

14 The INAF-OAB Mirrors group has developed a new technique specifically addressed to the realization of segmented mirrors of Cherenkov telescopes: this technique is based on the so called cold slumping technology [4], see Figure 2. The manufacturing process of the optical panels is based on the concept of accurate replication of a mould. The mould is manufactured and figured by a fly cutting diamond milling technique and having the negative profile (convex) as desired for the optical panels to be produced. This mould is used to impart to a thin sheet of glass a (concave) shape by means of a vacuum suction. The glass sheet is bended and than fixed with a stiff structure and a second glass sheet to form a sandwich structure (see picture). This approach is very attractive since massive production with short manufacturing times is possible (e.g. a mirror per day for each available mould) maintaining very low costs and weights. This technique has been developed by INAF-OAB in collaboration with the Media Lario company

15 and in close contact with the INFN group at the University of Padova. Based on this development, more than 100 square segments with spherical shape have been produced and are now installed on the world s largest Cherenkov telescope MAGIC-II [5], see Figure 3. In view of the implementation of SST, this technology should be improved aiming at achieving imaging performances even better with the possibility of using also aspherical profiles and strong curvatures. Moreover, INAF-OAB is developing an hot glass slumping technique specifically addressed for the realization of the mirrors for the small telescopes [6-10], see Figure 4. This approach make use once again of the concept of accurate replication of a mould and foresee the realization of panels with a sandwich structure. The glass sheet is thermally formed employing an ad hoc process and then are fixed to a stiff structure to form the panel (see picture). This approach has the potentiality to deliver mirrors with high shape accuracy with aspherical profiles and strong curvature, while maintaining a limited cost, production time and areal density. The IASF institues of Palermo and Milan together with the Astrophysical Observatory of Catania are involved in the study of focal plane detectors suitable for Cherenkov telescopes, consisting in a modular array of multi-anode photomultipliers [11](MAPMT, see next Figure, left panel) coupled to an ultra-fast electronics as required by the very short and faint UV light produced by the Cherenkov shower in the sky (next figure, right panel).

16 There are already developed modular elements operating in Single Photon Counting mode. This technique allows a better and efficient detection of the faint signals of Cherenkov radiation against the Night Sky Background (see next Figure).

17 In the framework of the SST studies, INAF is involved into the Monte Carlo simulation Group of CTA. In particular, IFSI-To is mainly devoted to create a database of extensive air showers in the energy range 1 TeV 100 TeV and to test the performance of different experimental configurations in terms of gamma-hadron discrimination power, angular resolution and energy resolution. A special effort will be made to study the implications of using large field optics extensively, not only to ease the all sky survey and the discovery of serendipity sources, but also to contain the Cherenkov image of the higher energy showers with the core far from the telescopes. This work will be carried out in conjunction with similar studies under development in the CTA Collaboration, coordinated by the United Kingdom. OA Roma (OAR) has a long lasting experience in the creation, use and maintenance of scientific data archives and databases (e.g. DIANA Project, REM Archive, LBC Scientific Archive) as well as a deep know-how in the analysis of gamma-ray, X-ray and optical data. Since 2005, OAR is also participating to the scientific and technical activities of the ASI Science Data Center (ASDC). Since 2007 OAR has started to join the MAGIC experiment. OAR have also a deep know-how in data analysis of gamma-ray and X-ray experiments. The OAR team is also involved in the CTA project since the very beginning and they are covering an important role within the Work-Packages OBS e DATA. In particular they have the responsibility of the multi-wavelength Interactive Archive of the CTA data complaint to the Virtual Observatory Riferimenti bibliografici

18 [1] ANTONELLI L. A. (2009). "From MAGIC to CTA: the INAF participation to Cherenkov Telescopes experiments for Very High Energy Astrophysics." In: LII Congresso della Societa' Astronomica Italiana. Teramo, 4-8 Maggio 2008, ISBN/ISSN: [2] CATALANO O., Cusumano G., GIARRUSSO S., LA ROSA G., Lozano M., MACCARONE M.C., Martel I., Moles M., Pimenta M., Prada F., SACCO B. "GAW, Gamma Air Watch: a very large field of view imaging atmospheric Cherenkov telescope. Concept design and science case", (Eds.), December [3] Vassiliev V.V., Fegan S.J., Brousseau P.F., "Wide field aplanatic two-mirror telescopes for ground-based gamma-ray astronomy", Astropart. Phys, [4] Vernani D., Banham R., CITTERIO O., Sanvito F., Valsecchi G., PARESCHI G., GHIGO M., Giro E., Doro M., Mariotti M. "Development of cold-slumping glass mirrors for imaging Cherenkov telescopes" SPIE Proceedings (vol. 7018), 2008 [5] PARESCHI G., Giro E, Banham R, BASSO S., Bastieri D, CANESTRARI R., Ceppatelli G, CITTERIO O., Doro M., GHIGO M., Marioni F., Mariotti M., Salvati M., Sanvito F., Vernani D. "Glass mirrors by cold slumping to cover 100 m2 of the MAGIC II Cherenkov telescope reflecting surface" SPIE Proceedings (vol. 7018), 2008 [6] GHIGO M., BASSO S., CITTERIO O., Mazzoleni F., Vernani D., "Manufacturing of lightweight glass segments for adaptive optics", SPIE Proceedings (vol. 6272), 2006 [7] GHIGO M., CANESTRARI R., BASSO S., Spiga D. "Development of lightweight optical segments for adaptive optics" SPIE Proceedings (vol. 6691), 2007 [8] CANESTRARI R., GHIGO M., BASSO S., Spiga D., Proserpio L. "Lightweight optical segment prototype for adaptive optics manufactured by hot slumping" SPIE Proceedings (vol. 7015), 2008 [9] CANESTRARI R., GHIGO M., PARESCHI G., BASSO S., Proserpio L. "Investigation of a novel slumping technique for the manufacturing of stiff and lightweight optical mirrors" SPIE Proceedings (vol. 7018), 2008 [10] CANESTRARI R., GHIGO M., PARESCHI G., BASSO S., Motta G., Doro M., Giro E., and Lessio L., Techniques for the manufacturing of stiff and lightweight optical mirror panels

19 based on slumping of glass sheets: concepts and results, SPIE Proceedings (vol. 7437), 2009 [11] CATALANO O., MACCARONE M.C., SACCO B. "Single Photon Counting Approach for Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes", Astroparticle Physics, 2008 Astroparticle Physics, Volume 29, Issue 2, p Descrizione del progetto e dei compiti dell'unità di Ricerca Testo italiano 1. Studio e sviluppo di nuovi metodi di produzione di specchi per sistemi di telescopi Cherenkov Miglioramento delle prestazioni degli specchi ottenuti per replica con la tecnica dello slumping a freddo : il successo della tecnica Cherenkov per l'astronomia TeV ha portato la comunità astronomica internazionale a chiedere lo sviluppo di nuovi strumenti aventi una crescita della sensibilità e un ampliamento della banda di energia rivelata. Questo può essere raggiunto aumentando il numero di telescopi e/o aumentando significativamente la superficie riflettente dei singoli telescopi. Per questo motivo è necessario studiare nuovi metodi per la realizzazione di grandi specchi di alta qualità e di basso costo. Recentemente un metodo di replica denominato slumping a freddo, che usa una struttura a sandwich di due strati di vetro sottili con in mezzo una struttura a nido d ape in alluminio, è stato sviluppato da OAB per la realizzazione di circa un centinaio dei segmenti di MAGIC II di (dimensione di 1m x 1m) ottenendo risultati eccellenti in termini di risoluzione angolare. Tale metodo può essere migliorato ulteriormente per produrre specchi più larghi, leggeri e precisi ad un costo più basso. Nel contesto di questa proposta si vogliono percorrere due direzioni: semplificazione e riduzione dei costi di specchi di grande superficie; studio di grandi specchi asferici. A questo proposito le attività che saranno svolte dall'unità INAF-OAB riguardano: - costruzione di specchi esagonali o a petalo (piuttosto che quadrati come è stato fatto sinora) di notevoli dimensioni (superiore al metro); - realizzazione di stampi convessi di appropriata forma e profilo realizzati attraverso lavorazione al diamante; - uso di foam in vetro o materiali ceramici in sostituzione della struttura a nido d ape al fine di incrementare la rigidità strutturale del segmento, eliminare l'impatto del printthrough della struttura ad honeycomb visibile a basso livello nei segmenti prodotti con lo slumping a freddo e ridurre il costo di produzione dei pannelli; - ricerca e test strutturali su nuove colle ad elevata tenuta e limitato invecchiamento per la produzione dei pannelli per ridurre il costo dei pannelli pur mantenendone una elevata qualità ottica. Queste attività saranno supportate dalla costruzione di campioni e prototipi. Si fa osservare che questa ricerca potrebbe avere una ricaduta tecnologica anche nel campo dei concentratori solari di grande area.

20 1.2. Sviluppo di pannelli per specchi per i telescopi Cherenkov SST a grande campo di vista: quando è necessario creare segmenti ottici aventi raggi di curvatura più ridotti, la tecnica dello slumping a freddo così come è stata adottata fino ad ora non è adeguata in quanto il foglio di vetro non accetta di piegarsi oltre un certo limite. In tal caso diventa indispensabile impiegare un processo di formatura a caldo. Questa tecnologia impiega un stampo fatto in materiale adatto ed un processo termico ad hoc per impartire la forma desiderata al foglio di vetro sottile. Tale tecnologia è stata inizialmente studiata da INAF-OAB per gli specchi adattivi segmentati del telescopio ottico E-ELT ed ora estesa agli specchi ad incidenza radente per il telescopio in raggi X al altissimo throughput IXO. Tuttavia è pensabile estenderla anche alla produzione degli specchi asferici per i telescopi Cherenkov a grande campo di vista di tipo SST. Alla fine del processo termico il foglio di vetro verrà posto sullo stampo e tramite l applicazione di una suzione a vuoto sarà spinto completamente a contatto con lo stampo stesso per correggere eventuali errori residui. Infine, si fisserà la struttura di rinforzo e il secondo foglio di vetro per formare la struttura a sandwich. Verrà sviluppato uno stampo ad hoc e tramite il processo di formatura a caldo verranno create diverse sue copie con un profilo di superficie riproducente gli specchi dei telescopi TeV a grande campo. Un appropriato piano di supporto posteriore verrà disegnato e sviluppato per il fissaggio dei pannelli sottili cosi' prodotti. 2. Studio e sviluppo di una nuova concezione di telescopi Cherenkov per grandi campi di vista ad altissime energie. 2.1.Studio di un progetto ottico innovativo che ottimizza le performance per un largo campo: ad alte energie (intorno ai TeV) la scarsità degli eventi richiede un area efficace molto grande (l array deve essere disposta su raggi dell ordine di 1 km) ed è quindi necessario un campo di vista molto ampio (dell ordine di 8-10 in diametro) per formare le immagini di sciami lontani. Nell'ambito del progetto CTA, INAF è stato il primo istituto a proporre l adozione di disegni ottici innovativi a doppia o tripla riflessione rivolti ad un telescopio Cherenkov SST dotato di un grande campo di vista, esaminando e confrontando le proprietà ottiche di diverse configurazioni. A tal fine si intende estendere il lavoro iniziato e prendere in esame diversi disegni ottici esplorando ed evidenziando le difficoltà costruttive che ogni configurazione presenta come ad esempio profilo degli elementi ottici, tipologia peso e costo della camera, ecc. Questa valutazione sarà portata avanti in grande sinergia con le altre strutture INAF partecipanti in questa proposta come lo INAF-IASF di Palermo e INAF-OA di Catania. Il nostro studio sarà basato soprattutto su simulazioni al computer sia utilizzando software commerciale come ZEMAX che sviluppando sofware ad hoc. Saranno prese in considerazione e studiate le prestazioni di un singolo telescopio e quelle di un sistema formato da molti telescopi allo scopo di ottimizzare le capacità ed i costi della configurazione finale. Lo scopo di questo studio si può pertanto riassumere in: - studiare un dispositivo ottico con grande campo di vista che abbia allo stesso tempo le caratteristiche e le capacità ottiche richieste dall'astronomia al TeV; - studiare il possibile impatto che la scelta di una configurazione ottica rispetto ad altre può avere sull implementazione di una array completa di telescopi di tipo SST, in particolare riguardo ai costi complessivi, ai tempi di installazione e alla facilità/complessità di gestione.