L’elemento attivo dei Calorimetri a Zero Gradi di ALICE è costituito da fibre ottiche di quarzo che trasmettono radiazione Cerenkov prodotta dalle particelle cariche generate dall’interazione di neutroni o protoni con il materiale assorbitore dei calorimetri costituito da materiale molto denso. |
Le fibre di quarzo sono infilate in scanalature ricavate in lastre di lega di tungsteno e di ottone rispettivamente per ZN (in alto) e ZP (in basso).
Le fibre sono poste a zero gradi rispetto all’asse del collisionatore ed escono dalla faccia posteriore del calorimetro.
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Gli ZDC di ALICE sono costituiti da due insiemi identici di calorimetri installati da entrambi le parti del punto di interazione (IP), a 112.5 m da esso. Ciascun insieme è costituito da un calorimetro per neutroni (ZN) e uno per protoni (ZP). Lo ZN è posto a zero gradi rispetto all'asse di LHC, tra i due tubi di fascio, mentre lo ZP è posto esternamente al tubo che contiene il fascio uscente. I protoni spettatori sono separati dal fascio di ioni per mezzo di un dipolo superconduttore. L'insieme è completato da due piccoli calorimetri elettromagnetici (ZEM), posti a 7.5 m dall'IP, che rivelano l'energia delle particelle (gamma e elettroni) prodotte nella collisione ed emesse a piccoli angoli.
Gli ZDC sono calorimetri a fibre di quarzo disposte fra lastre di materiale pesante in cui il segnale è prodotto per effetto Cerenkov dalle particelle cariche dello sciame che attraversano le fibre. Le fibre di quarzo sono infilate in scanalature ricavate in lastre di lega di tungsteno e di ottone rispettivamente per ZN e ZP. Nei calorimetri adronici le fibre sono poste a zero gradi rispetto all’asse del collisionatore ed escono dalla faccia posteriore, portando direttamente la luce ai fotomoltiplicatori. Una fibra su due è mandata a un fotomoltiplicatore, che quindi raccoglie metà della luce; le fibre rimanenti sono raccolte in quattro mazzetti e mandate a quattro diversi fotomoltiplicatori, formando quattro torri indipendenti. La segmentazione dei calorimetri adronici è 2x2 per ZN e 4x1 per ZP.
I principali vantaggi dei calorimetri a fibre di quarzo sono l'elevatissima resistenza alle radiazioni (alcuni Grad), un'elevata velocità di risposta (il segnale è contenuto in ~10ns) e la loro compattezza.
Nelle collisioni Pb-Pb gli ZDC misurano l'energia portata dai nucleoni non interagenti, i cosidetti nucleoni spettatori, che è la quantità misurabile più direttamente legata alla centralità dell'interazione nucleo-nucleo. Tuttavia nei collisionatori la correlazione monotona tra parametro d'impatto e risposta ZDC è parzialmente distrutta. Infatti negli urti periferici molti nucleoni restano legati in frammenti nucleari pesanti, che, avendo la rigidità magnetica vicina a quella del fascio, continuano a viaggiare nel tubo di fascio e non vengono rivelati dagli ZDC. L'informazione fornita da altri rivelatori di ALICE, per esempio gli ZEM, è usata per rimuovere l'ambiguità tra collisioni centrali e periferiche. Gli ZDC forniscono non solo informazioni sul modulo del parametro d'impatto, ma anche sulla sua direzione. Infatti i calorimetri per neutroni, essendo sensibili alla posizione d'impatto delle particelle, sono usati nelle analisi di "flow" per stimare il piano di reazione degli urti Pb-P. Infine lo ZDC opera come luminometro dell'esperimento ALICE durante la presa dati Pb-Pb. In particolare il conteggio misurato dai calorimetri ZN è dominato dalle interazioni di dissociazione elettromagnetica con emissione di neutroni, la cui sezione d'urto è calcolata con buona accurattezza (~5%) nell'ambito del modello di Weizsaker-Williams.
Nelle collisioni p-p gli ZDC misurano l’energia dei barioni ad alta rapidità, informazione utile per la caratterizzazione di eventi diffrattivi e per la messa a punto di programmi Monte Carlo che descrivono la produzione barionica in avanti alle energie LHC.
Uno dei due calorimetri per protoni ZP (dimensioni : 22.8 x 12 x 150 cm3) in fase di assemblaggio con le fibre di quarzo infilate nelle 1680 scanalature.
È visibile la segmentazione in quattro torri (4x1).
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Le fibre di quarzo uscenti dalla faccia posteriore dei calorimetri adronici sono raccolte in cinque mazzetti: un mazzetto raccoglie metà delle fibre uniformemente distribuite nel calorimetro mentre gli altri quattro mazzetti raccolgono le fibre corrispondenti a quattro settori indipendenti in cui è diviso il calorimetro nel piano trasversale.
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I calorimetri ZN e ZP sono posizionati nel tunnel del collisionatore LHC a circa 112.5 m dal punto di intersezione dei fasci. ZN è posizionato esattamente tra i due tubi in cui circolano i fasci, mentre ZP è posizionato esternamente al tubo che contiene il fascio uscente.
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Vista globale della piattaforma con coppia di calorimetri posizionati su di essa all’interno del tunnel LHC.
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