Gli esperimenti della Collaborazione WiZard

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1 CAPRICE and PAMELA

2 Gli esperimenti della Collaborazione WiZard

3 The Cosmic Ray radiation

4 CAPRICE SUPER CONDUCTING MAGNET Height: 350 cm Weight: 3500 kg Power: 1500 W TRD PAMELA Height: 120 cm Weight: 450 kg Power: 360 W 1.2 m Da esperimenti su palloni ad esperimenti su satelliti

5 Caprice 98: studio dello spettro di energia di particelle ed antiparticelle al top dell atmosfera Lo spettrometro CAPRICE98 è stato lanciato con pallone aerostatico da Fort Sumner,, Nuovo Messico, USA, il 28 maggio Dopo tre ore di ascesa l apparato ha raggiunto circa 36 km di altitudine. Per oltre 20 ore ha viaggiato ad un altitudine tra i 36 e i 38 km k corrispondente ad una atmosfera residua di 5.5 g/cm 2. A questa quta di crociera lo spettrometro ha raccolto dati sui flussi di varie specie di raggi cosmici: antiprotoni, elettroni, positroni, protoni, oni, deuterio e nuclei di elio; la maggior parte di questi risultati sono stati pubblicati.

6 Flusso di muoni in atmosfera La misura e lo studio del flusso di muoni in atmosfera può usata per migliorare i calcoli dei flussi di neutrini atmosferici Permette, inoltre, di controllare e calibrare le simulazioni di sciami atmosferici che vengono usate anche in esperimenti ad altissime energie come Auger, AGASA, HiRes

7 Flusso di primari Si assume che lo spettro di primari è uniforme ed isotropo nello spazio interstellare mentre in prossimità della Terra è modificato dal campo geomagnetico e dalla modulazione solare

8 Confronto tra dati sperimentali di muoni da CAPRICE e dati da simulazione 3-dimensionale

9 Flusso di muoni positivi

10 Differenze sono state trovate confrontando dati simulati con misure di muoni in atmosfera. Queste differenze hanno portato a modificare le simulazioni soprattutto introducendo flussi di primari più accurati e simulando lo sviluppo tridimensionale degli sciami. Confronti più accurati per un ulteriore miglioramento richiedono un aumento significativo della precisione sperimentale. Esperimenti dedicati alla misura di muoni atmosferici sono necessari: CAPRICE04.

11 CAPRICE 98 stilll producing physics ICRC 2003 CR compostion Helium nuclei Fluxes Proton Fluxes Deuteron Fluxes P and He Fluxes

12 ICRC 2003 Deuterium CAPRICE Light nuclei like D have a propagation history consistent with that of heavier nuclei Using the RICH as a threshold device

13 ICRC Caprice98 3He Combining RICH and spectrometer information separate 4 He and 3 He in the rigidity range GV 3He and 2H are fragile isotopes destroyed rather than formed in stars. Their presence in cosmic rays is due to spallation of cosmic rays 4He. Since they are stable nuclei they provide information on the amount of matter traversed by cosmic rays before escaping the Galaxy.

14 L obiettivo scientifico principale: : la misura di antiparticelle nella radiazione cosmica Investigato finora Secondary production (upper and lower limits) Simon et al. Secondary production C94 model + primary χχ distortion Primary production from χχ annihilation (m(χ) = 964 GeV) Secondary production (CAPRICE94- based) Bergström et al. Regione di energia di PAMELA

15 L obiettivo scientifico principale: : la misura di antiparticelle nella radiazione cosmica Investigato finora Regione di energia di PAMELA Secondary production Moskalenko + Strong model without reacceleration Secondary production Leaky box model Secondary production M+S model + primary χχ distortion Primary production from χχ annihilation (m(χ) = 336 GeV)

16 L obiettivo scientifico principale: : la ricerca di antimateria nello spazio

17 Italy: Bari Florence Frascati Naples Rome Trieste CNR, Florence Russia: USA: GSFC Moscow St. Petersburg NMSU Germany: Siegen Sweden: KTH, Stockholm

18 Resurs DK1 satellite Data-taking position Launch position km PAMELA

19 PAMELA prenderà dati durante la transizione al minimo del 23.imo ciclo solare e starà in orbita per almeno 3 anni. Questo permetterà di studiare anche gli effetti sulla radiazione cosmica nel breve e medio periodo della modulazione solare.

20 quasi-polar (70.4 ) elliptical ( km) 3-years-long mission Caratteristiche dell orbita SAA

21 PAMELA potenzialità PAMELA studierà i flussi di: Antiprotoni 80 MeV GeV Positroni 50 MeV 270 GeV Elettroni up to 400 GeV Protoni up to 700 GeV Electroni+positroni up to 2 TeV Nuclei leggeri (fino a Z=6) up to 200 GeV/n Ricerca di antinuclei (sensitivity di 10-7 per He/He) + Effetto nel medio termine della modulazione solare Particelle energetiche dal Sole Comportamente delle particelle ad alta energia nella magnetosfera terrestre

22 PAMELA: numero di eventi attesi

23 Identificazione di p e e + _ 1.2m

24 Misure di particelle dal sole Si aspettano circa 14 eventi di particelle solari (SEP) con picco di fluence sopra i 10 MeV a cominciare dalla seconda metà del settimo anno dal minimo solare (circa 1999) La maggior parte delle misure da satellite sono limitare ad energie sotto alcune decine di MeV. Gli esperimenti su GOES-7 e SAMPEX riescono a misurare lo spettro di nuclei pesanti fino a circa 100 MeV/n per alcune SEP. Usando PAMELA sarà possibile misurare lo spettro energetico dei nuclei fino al carboni da circa 100 MeV/n.

25 L apparato PAMELA ToF TRD Anticoincidence shield Magnetic spectrometer Shower tail catcher scintillator Calorimeter Neutron detector

26 Magnetic spectrometer Permanent magnet: 5 blocksof Nd-B-Fe 0.48 T in internal cavity (section: 132 x 162 mm 2 ) of 44.5 cm height Geometric factor: 22.5 cm 2 sr Tracking system: 6 layers of double-sided silicon microstrips

27 Tracking system performance 3 µm resolution on the bending view 10 µm resolution on the non-bending view MDR ~ 800 GV/c

28 Tre piani di scintillatore per: Trigger Misure di de/dx e ToF (reiezione di albedo e ID) ToF system

29 Performance del ToF Separazione protone/elettrone fino a ~ 1 GeV/c

30 Scintillatori delle anticoincidenze Side paddle Top paddle Obiettivo: definire l accettanza dell apparato e aiutare nel rigettare trigger fasulli

31 Performance delle anticoincidenze Elevata efficienza (>99.9%) Possibili problemi di backscattering Nessun problema di backscattering se si usa l informazione del calorimetro

32 Il calorimetro elettromagnetico 22 piani composti da un piano di tungsteno dallo spessore di 2.6 mm e due piani di rivelatori al silicio (spessore 380 µm, striscie di 2.4 mm lungo direzioni) profondità: 16 lunghezze di radiazione (0.6 lunghezze d interazione) elettronica di front-end basata sul VLSI ASIC CR1.4P: alto range dinamico (1400 mip), basso consumo (<100 mw/chip), basso rumore (2700 e e - /pf), buona linearità (all interno dell 1%), autotriggerante

33 The imaging calorimeter calorimeter plane Assembled calorimeter

34 Performance del calorimetro >10 4 di potere di reiezione per protoni nell identificazione di positroni risoluzione energetica del 5% fino a 200 GeV modo di autotrigger per misurare la componente elettroni fino a 2 TeV

35 The transition radiation detector 1024 straw tubes (28 cm length, 4 mm diameter) arranged in 9 detection planes gas mixture: Xe-Co 2 (80-20)% HV = 1400 V carbon fibre radiators (60 g/l) interleaved to detection planes

36 TRD performance 5% proton contamination at about 90% electron efficiency (CERN PS data)

37 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years PAMELA status (SPS, July 2000) (SPS, July 2002)

38 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years Individual detectors complete (or very close to be complete) PAMELA status Tracking system TRD during a vibration test

39 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years Individual detectors complete (or very close to be complete) Integration of the technological model well underway PAMELA status

40 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years Individual detectors complete (or very close to be complete) Integration of the technological model well underway Mass and Thermal Model of PAMELA under qualification PAMELA status

41 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years Individual detectors complete (or very close to be complete) Integration of the technological model well underway Mass and Thermal Model of PAMELA under qualification PAMELA status

42 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years Individual detectors complete (or very close to be complete) Integration of the technological model well underway Mass and Thermal Model of PAMELA under qualification PAMELA status

43 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years Individual detectors complete (or very close to be complete) Integration of the technological model well underway Mass and Thermal Model of PAMELA under qualification Integration of flight model started PAMELA status

44 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years Individual detectors complete (or very close to be complete) Integration of the technological model well underway Mass and Thermal Model of PAMELA under qualification Integration of flight model started Launch from Kazakhstan next year PAMELA status

45 All detectors comply with the design performance Intense simulation and beam test activities in the past years Individual detectors complete (or very close to be complete) Integration of the technological model well underway Mass and Thermal Model of PAMELA under qualification Integration of flight model started Launch from Kazakhstan next year PAMELA status (Final beam test of the flight model in September 2003)

46 Conclusioni La Collaborazione WiZard farà rivolare CAPRICE98 nel 2004 fermando l apparato a diverse profondità atmosferiche per campionare il flusso di muoni. Questo nuovo esperimento migliorerà di un ordine di grandezza la statistica esistente sui muoni e permetterà un confronto dettagliato tra i flussi sperimentali e simulati di µ + e µ -. Lo spettrometro PAMELA sarà messo in orbita verso la metà del prossimo anno.

47 A tracker detection plane Double-sided silicon microstrips (300 µm thickness): 25 µm implantation pitch on junction side, 67 µm on ohmic side strips mutually orthogonal on opposite sides readout pitch50 µm