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Giuseppe Levi

Ricercatore confermato

Dipartimento di Fisica e Astronomia

Settore scientifico disciplinare: FIS/04 FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

Temi di ricerca

Parole chiave: Silicon Photomultiplier Astroparticle physics SiPM ZEUS AMS-02 Neutrino

1)Esperimento ZEUS, Studio delle interzioni elettrone-protone a 320 GeV. uno studio sistematico della struttura interna del protone e delle forze di colore dei quark (teoria QCD) 2)Esperimento AMS-02, spettrometro spaziale per la ricerca di Antimateria, avrà una sensibilita' tale da rivelare antinuclei fino a 100 Megaparsec, estendendo i limiti attuali delle osservazioni nella nostra galassia. 3)I SiPM sono un nuovo tipo di fotomoltiplicatore ottenuto da matrici di APD. La bassa tensione di alimentazione e la loro immunità da campi magnetici ne fanno ottimi candidati per applicazioni nell'ambito della fisica delle particelle.

L'attività scientifica di Ricerca Fondamentale Orientata del proponente Giuseppe Levi che fa parte del gruppo coordinato da F.Palmonari si e' svolta nel campo della fisica sperimentale delle particelle, dei nuclei e delle interazioni fondamentali. Gli argomenti specifici delle ricerche compiute nel triennio 2003-2005 sono legati agli esperimenti menzionati. Di seguito diamo una descrizione dettagliata dei tre principali. 1)ZEUS. Studio delle interzioni elettrone-protone a 320 GeV di energia. Il gruppo di Bologna INFN-Universita' partecipa attivamente ad una grande collaborazione internazionale (Info1), presso gli anelli di accumulazione per protoni ed elettroni HERA di Amburgo. Il programma di lungo data studia sistematicamente la struttura interna del protone e le forze di colore dei quark costituenti (teoria QCD) Alla fine del 2005 erano stati raccolti dati con luminosita' integrata di 230 pbarn^-1 per (e-p) e 250 pbarn^-1 per (e+p), e nei prossimi 2 anni si dovrebbe raddoppiare la statistica. Questi dati, finora ZEUS ha raccolto più di 400 milioni di eventi, consentiranno una verifica senza precedenti della teoria QCD. Le pubblicazioni prodotte sono una decina all'anno. Recentemente ha suscitato interesse la scoperta di uno stato eccitato del nucleone composto da 5 quark ( "pentaquark"). Se confermata avrà ripercussioni anche nel campo dell'astrofisica, sulle proprieta' della materia stellare. I risultati piu' importanti pubblicati a partire dal 93: i) la misura della sezione d'urto profondamente inelastica (e-p) ed (e+p) fino a Q^2 di 10^4 GeV/c^2 con la conferma delle violazioni di scala predette dalla teoria QuantoCromoDinamica che descrive il comportamento deiquark e gluoni all'interno del protone. ii) un limite inferiore di circa 280 GeV per la massa di Leptoquark. iii) l'andamento delle sezioni d'urto a x=10-5, che misura la saturazione della densita' di partoni nel protone, e nella regione x-Q^2 di raccordo tra teoria QCD-perturbativa e diffrattiva. iv) la separazione delle interazioni fotone-protone in processi diretti e risolti, la misura dell'eccitazione di quark pesanti, e la loro spettroscopia adronica. 2)AMS-02.Esperimento per la ricerca di Antimateria e Materia Oscura nello spazio. Uno dei problemi della evoluzione dell'universo è la totale scomparsa dell'antimateria durante la fase primordiale del big-bang. I limiti attuali all'esistenza di antimateria nei raggi cosmici non permettono di dire nulla al di fuori della nostra galassia. AMS-02, uno spettrometro per raggi cosmici da installare nella stazione spaziale ISS, si propone di raggiungere una sensibilita' tale da rivelare antimateria proveniente da cluster di galassie lontane, estendendo l'esplorazione delle sorgenti di Raggi Cosmici a circa 100 Megaparsec. La collaborazione internazionale (Info2), con Spokeperson il Nobel S.Ting, supportata dal DOE e dalla NASA, da molti enti spaziali tra i quali l'italiano ASI, ha base logistica al CERN di Ginevra, dove l'apparato verrà assemblato per essere portato alla NASA entro il 2008. Il gruppo di Bologna costruirà entro il 2007 un telescopio di 36 contatori plastici scintillatori (TOF), parte essenziale dello spettrometro, che fornisce il “trigger” a tutto l'apparato AMS-02 e misura la velocità dei raggi cosmici con risoluzione migliore del 3%. 3) I Silicon Photomultipliers sono una nuova generazione di fotomoltiplicatori ottenuti direttamente da un wafer di silicio impiantando in esso una di microcelle lette in parallelo ciascuna delle quali è un APD che funziona in modalità Geiger. La risposta complessiva dell'apparato è analogica anche se ogni singola microcella funziona in modo binario rivelando la presenza di un singolo fotone. Le dimensioni tipiche di un SiPM vanno da 1 a 9 millimetri quadri con microcelle quadrate che vanno, a seconda del modello, da 20x20 a 100x100 micron. Originariamente sviluppati in Russia i SiPM sono ora prodotti anche in Italia ove i laboratori dell'ITC/IRST di Trento sono riusciti a migliorarne le caratteristiche (ottima efficenza quantica, alto guadagno e bassa tensione di alimentazione). Lo scopo della ricerca condotta a Bologna è quello di sperimentare l'uso dei Sipm per leggere contatori plastici simili a quelli impiegati da AMS-02 tramite fibre scintillanti. Per le loro caratteristiche infatti appaiono estremamente attraenti per un uso spaziale e in ambienti con alti campi magnetici quale il TOF di AMS-02.