Fabrication of crystals for investigation of orientational effects in high energy physics

Effetti relativi a orientazioni cristallografiche si verificano quando le traiettorie delle particelle sono allineate con una struttura reticolare cristallina. L'interazione delle particelle con il mezzo cambia in modo significativo e questi comportamenti "esotici" possono essere sfruttati per sviluppare nuove tecniche per la manipolazione di fasci nella fisica delle alte energie. La maggior parte del lavoro di questa tesi si concentra sullo sviluppo di cristalli di silicio piegati da impiegare presso LHC. Questo obiettivo impone standard elevati nella fabbricazione di campioni: la perfetta qualità del reticolo deve essere preservata durante tutte le fasi della produzione, la curvatura deve raggiungere precisione nanometrica su tutta la lunghezza del cristallo e l'intero assemblaggio deve essere compatibile con l'ambiente del tubo del fascio di LHC (alto vuoto, sollecitazioni termiche durante la procedura di bake-out, alto livello di radiazioni). I prototipi finali per la collimazione sono stati sviluppati e caratterizzati a Ferrara e sono adatti per la collimazione di LHC grazie all'elevata omogeneità di curvatura e stabilità termica dopo i processi di bake-out. Lo sviluppo di cristalli più grandi è stato condotto allo scopo di estrarre il fascio in collaborazione con il progetto Crysbeam. Sono stati studiati due diversi approcci: modifica del meccanismo anticlastico già usato per cristalli più corti e deformazione mediante plastificazione di strati superficiali. Le caratteristiche di deflessione di un campione autoportante sono state misurate al CERN con un raggio di pioni da 180 GeV e hanno mostrato una buona efficienza. La fabbricazione di un cristallo piegato per la precessione di spin di barioni charm ha richiesto maggiore lunghezza (diversi cm lungo la traiettoria del fascio) e curvatura (angolo di flessione 14-16 mrad) rispetto ai campioni sviluppati precedentemente a Ferrara. È stato ideato un nuovo tipo di meccanismo di curvatura meccanica e sono stati fabbricati due campioni: uno di silicio e uno di germanio. I due campioni sono stati testati al CERN con pioni da 180 GeV, il risultato è una pietra miliare per il progetto SELDOM. Sono stati effettuati studi su positroni ed elettroni ultrarelativistici (120 GeV) in allineamento assiale con tungstato di piombo (PWO). È stato osservato un forte incremento dell'emissione di radiazioni, con il fascio che irradia gran parte della sua energia. L'esperimento apre la possibilità allo sviluppo di una nuova generazione di calorimetri compatto per il rilevamento di particelle ultrarelativistiche basate su cristalli allineati. Era necessaria un'indagine sulla qualità reticolare del PWO, essendo scintillatori inorganici lontani dal cristallo ideale. Misurazioni con diffrazione di raggi X sono state eseguite a Ferrara e in strutture esterne come ESRF a Grenoble.

Orientational effects occurs when particle trajectories are aligned with a crystal lattice structure. Interaction of particle with medium significantly changes, and these “exotic” behavior can be exploited to develop novel techniques for beam manipulation in high Energy physics. Most of the work in this thesis is focused in developing bent Silicon crystals to employ in LHC. This goal imposes high standard in the fabrication of samples: perfect quality of the lattice must be preserved during all stages of production, bending must achieve nanometric scale precision over the whole length of the crystal and the entire assembly must be compatible with LHC beam pipe environment (high vacuum, thermal stresses during bake-out procedure, high level of radiation). The final prototypes for collimation were developed and characterized in Ferrara and are suitable for collimation of LHC thanks to high homogeneity of curvature and thermal stability after bake-out processes. Development of larger crystal was carried out for the goal of beam extraction was carried out in collaboration with Crysbeam project. Two different approaches were researched: modification of anticlastic bender already used for shorter crystals and deformation by plasticization of superficial layers. The steering feature of a self-standing sample were measured at CERN with 180 GeV pion beam and showed good efficiency. Fabrication of bent crystal for spin precession of charm baryons required a much larger size (several cm along the beam trajectory) and curvature (14-16 mrad angle of deflection) wrt sample previously developed in Ferrara. A new type of mechanical bender was devised, two samples were fabricated: one of Silicon and one of Germanium. The two samples were tested at CERN with 180 GeV pion, the result is a milestone for the SELDOM project. The study of ultrarelativistic electron and positron (120 GeV) interaction with axially aligned lead tungstate (PWO) were carried out. Strong enhancement of radiation emission was observed, with beam radiating most of its momentum. The experiment opens the possibility for the development of a new generation of compact calorimeter for detection of ultrarelativistic particles based on aligned crystals. Investigation of the lattice quality of PWO was necessary, being inorganic scintillators far from ideal crystal. Measurements with x-rays diffraction were performed at Ferrara and at external facilities such as ESRF in Grenoble.