PRIN 2006: "Esperimenti di channeling di particelle relativistiche in cristalli di silicio per la pulizia dell'alone di fascio in macchine adroniche"

Nelle macchine adroniche ad alta intensità di nuova generazione quali, per esempio, LHC, la collimazione dell'alone è condizione necessaria per operare l'acceleratore alla massima luminosità possibile e per prevenire il danneggiamento dei magneti superconduttori ad opera delle particelle spurie dell'alone. Il problema della collimazione è tutt'altro che triviale, in quanto l'intensità dell'alone in LHC è paragonabile a quella del fascio primario nel SPS. Il sistema di collimazione attualmente previsto per LHC sfrutta un sistema di collimazione multi-stadio e necessita l'inserzione, in prossimità del fascio, di materiali massivi conduttori in varie locazioni dell'acceleratore, che si traducono in un aumento dell'impedenza della macchina e pertanto nella difficoltà di operazione alla massima intensità prevista. Il channeling di particelle in cristalli consiste nell'intrappolamento delle particelle fra i piani reticolari di un cristallo. Tale tecnica è stata estensivamente sperimentata nel campo delle macchine circolari ed ha mostrato efficienze di estrazione del fascio di particelle accumulate in un acceleratore pari al 85% per protoni da 70 GeV/c. A fianco di questa tecnica, negli ultimi mesi è stato osservato un nuovo fenomeno di deflessione in cristalli, detto "volume reflection", intimamente legato al channeling nella fisica di base, ma non caratterizzato dall'incanalamento fra piani cristallini. Sebbene una descrizione qualitativa di tale fenomeno sia stata proposta, manca una descrizione completa e sopratutto non è affatto chiaro se questo effetto possa essere sfruttato nella fisica degli acceleratori, in particolare per collimazione in macchine adroniche. Il presente progetto ambisce ad uno studio sistematico della fenomenologia del channeling ed allo studio del "volume reflection" per particelle ad alta energia con cristalli in silicio di nuova concezione. In particolare si vuole studiare le efficienze di singolo passaggio di tutti i processi coinvolti e, da questi, estrapolare importanti informazioni sulla fattibilità di un collimatore a cristallo per la pulizia dell'alone di fascio in LHC. Un cristallo di dimensioni millimetriche potrebbe infatti sostituire il collimatore primario e, simultaneamente, consentire il posizionamento del collimatore secondario più lontano dal fascio, diminuendo ulteriormente l'impedenza. Il progetto si articola nella fabbricazione e caratterizzazione dei cristalli utili allo scopo e nella verifica sperimentale con protoni ad alta energia. I cristalli verranno fabbricati, sfruttando l'esperienza a riguardo e le attrezzature per la lavorazione del silicio possedute dai proponenti dell'unità I. In particolare, occorrerà progettare e realizzare cristalli di silicio i cui parametri siano ottimizzati all'energia dei protoni nel SPS (che è l'energia di iniezione in LHC). Inoltre si renderà necessario concepire nuovi cristalli per lo studio del "volume reflection" per la verifica della collimazione mediante questa tecnica. L'esperienza ha mostrato che il recente grande sviluppo del channeling di particelle relativistiche è stato possibile grazie all'impiego di tecnologie mutuate dalla fisica dei semiconduttori e da una scrupolosa caratterizzazione delle superfici dei cristalli. Le unità II e III possiedono una ricca disponibilità di attrezzature nonché una storica conoscenza dei fenomeni di channeling fin dai primi anni settanta. Infine occorre allestire un telescopio presso la linea esterna H8 del SPS al CERN per il tracciamento delle particelle che hanno interagito con il cristallo e per la misura dell'efficienza di singolo passaggio dei vari eventi. Presso le unità I e IV esiste una consolidata attività nella fisica delle particelle elementari e delle inerenti tecniche di rilevazione delle particelle. Al termine del progetto si prevede di poter trarre importanti conclusioni riguardo la fattibilità della tecnica del channeling e del "volume reflection" per la pulizia dell'alone di fascio di LHC.