Paolo Soffitta - Enrico Costa ( paolo.soffitta@iaps.inaf.it , enrico.costa@iasf-roma.inaf.it )

Esperimenti per Polarimetria X

• Da eseguirsi presso il Gruppo di Astrofisica delle Alte Energie dello IAPS-INAF nell’ area di ricerca di Tor Vergata

• Due esperienze da scegliere tra le 3 presentate

Perche’ Polarimetria in Banda X

• Determinare i processi fisici responsabilidell’ emissione.

• Determinare la geometria delle sorgenti.• Studiare la fisica fondamentale in regime digravità e di campo magnetico non accessibili ad esperimenti sulla terra.

• Studiare effetti legati alla gravita’quantistica.

Resti di supernovae con PulsarMisura positiva integrata della nebulosa del Granchio ma senza il contributo della Pulsar.

P = 19.2 ± 1.0 % θ = 156.4o ± 1.4o

I  satelliti per  astronomia X  ad  immagine moderni  hanno  mostrato  che  la  struttura  e’ molto  piu’complessa. 

La  polarimetria  X  ad  immagine  permette  di determinare la struttura dei campi magnetici locali  e le caratteristiche della emissione.                   

(1)I  parametri geometrici,  il meccanismo diemissione della pulsar e  la generazione del ventodi particelle.

(2)  Come  il  vento  della  pulsar  forma  le  diverse strutture interagendo con il gas interstellare.

PSRPSR

NW jetNW jet

SE jetSE jet

InnerInner torustorus

OuterOuter torustorus

f.o.v.f.o.v.

p.s.f.p.s.f.

ShibataShibata etet alal.20.200303

Effetti di gravità forte in presenza di un buco nero. 

La distorsione della riga del ferro ha dato sinora risultati contrastanti.                          La polarimetria X puo’ risultare decisiva per individuare la presenza di un buco nero e 

determinarne lo spin.

L’angolo di polarizzazione ruota con l’energia in modo dipendente dal suo spin.

Connors & Stark, Nature 1975.

Stark &Connors, Nature 1975.

Come si misura la polarizzazione dei raggiX con un dispositivo ad immagine ?

Un  fotone attraversa una finestra di Berillio e  interagisce con  il gas con  la emissione di un fotoelettrone.  La  direzione di emissione del  fotoelettrone dipende dalla direzione dipolarizzazione del fotone. Facendo l’immagine della traccia si ricava la direzione di emissionedel fotoelettrone e quindi quella di polarizzazione. Non si usa pero’ una CCD ma un ASIC.

( ) ( )( )( )4

222

4

5

2

cos124

137cossin2

7

θβϕθ

ν∂∂σ

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Ω hmcZ

ro

Costa et al., Nature 2001

Allo IAPS di Roma abbiamo sviluppato unastruttura per la produzione di raggi X polarizzati.

keV Crystal Line Bragg angle1.65 ADP(101) CONT 45.02.01 PET(002) CONT 45.02.29 Rh(001) Mo Lα 45.32.61 Graphite CONT 45.03.7 Al(111) Ca Kα 45.94.5 CaF2(220) Ti Kα 45.45.9 LiF(002) 55Fe 47.66.4 Si(400) FeK α 45.58.05 Ge(333) Cu Kα 45.09.7 FLi(420) Au Lα 45.1 17.4 Fli(800) Mo Kα 44.8

Facility allo IAPS di Roma Vista del tubo a raggi X, del polarizzatore e del Gas Pixel Detector.

Capillary plate (3 cm Ø) Cristalli di Alluminio e Grafite.

Spettro ad alta risoluzione difotoni prodotti da un tubo con anodo al Titanio e diffratti da un cristallo di PET.

(Muleri et al., SPIE, 2008)

PET

ADP: NH4H2PO4 PET : C10H8O4

L’astronomia X si puo’ fare solo dallospazio per  via  dell’assorbimentodell’ atmosfera.

Per  esperimenti spaziali sideve pensare a  sorgenti dicalibrazione che sianoutilizzabili in volo.

NON si puo’ trasportare la facility in orbita !!!

esperienze degli anni scorsiMuleri et al.  SPIE 2012                                 (Con Studenti Lab II corso 2011)

Rocking curve del foglio PGS (Grafite sottile ma trattatatermicamente)

Misura dellapolarizzazione dei fotonidiffratti a                    2.6 keV utilizzando ilpolarimetro X

L’ anno scorso abbiamo misurato con gli studenti di Lab  II  le caratteristiche come polarizzatore del foglio sottile (20 μm) di grafite PGS acquistato dalla PANASONIC .

L’ esperienza di quest’anno

Sino ad ora ci siamo concentrati sulla fattibilita’ della componente di bassa energia del polarizzatore da volo.

Quest’anno vogliamo dimostrare la fattibilita’ della componente di alta energia del calibratore.

La finalita’ del lavoro e’qualla di proporre questa sorgente di calibrazione per polarimetri a raggi X alle prossime opportunita’ di missione.

• Introduzione alle tecniche proprie della Astronomia a raggi X (Con bibliografia)• Introduzione alle tecniche di analisi di fluorescenza e diffrazione di Bragg per Polarimetria

X con rivelatori ad alta risoluzione energetica.• Rocking curve con il cristallo di fluoruro di Litio e la sorgente di fluorescenza (55Fe).• Misura della polarizzazione prodotta per diffrazione a 45 gradi con il polarimetro X. 

Proposta 3: Sorgente di calibrazione di volo di polarimetri in banda X : caratterizzazione di un cristallo di Floruro di Litio come polarizzatore di

una sorgente di fluorescenza di 55Fe• Questa proposta si aggancia a passate esperienze svolte

presso il nostro laboratorio che avevano come scopo la definizione di una sorgente di calibrazione a bassa energia dautilizzare in missioni spaziali.

• Ci proponiamo adesso di studiare lo stadio di 'alta' energiautilizzando componenti gia' presenti nei nostri laboratori per misurare le caratteristiche della diffrazione di Bragg a 45o chepolarizza completamente la radiazione.

• Un cristallo di Fluoruro di Calcio, una sorgente di 55Fe, un Si-Pin commerciale come rivelatore ad alta risoluzione energeticae il Gas Pixel Detector per rivelare la polarizzazione permettonodi realizzare questa misura.

• Questo lavoro ha sin qui gia' portato a due pubblicazioni neiproceedings della SPIE conference, firmate da precedentistudenti del corso.

Proposta 1: Misura del livello di assenza dellapolarizzazione spuria a bassa energia di un

polarimetro con tubi a raggi X di tipo 'head-on'

• Il polarimetro a raggi X basato su effetto fotoelettrico(Gas Pixel Detector) viene studiato in termini dipolarizzazione residua

• Si sfrutta l'emissione di fluorescenza a 3.7 keV e ad 8 keV con due tubi per raggi X di bassa potenza collimati.

• Gli elementi per la misura sono tutti disponibili incluso ilsoftware per l'analisi, il rivelatore il collimatore e i tubi per raggi X.

• Gli studenti sotto la guida del gruppo alte energie sioccuperanno dell'assemblaggio, della realizzazione dellamisura e della relativa analisi e valutazione.

Proposta 2: Caratterizzazione di plastici scintillatoricon taglio 'custom' per un polarimetro ad effetto

Compton'• Ci proponiamo di studiare la raccolta di luce di plastici

scintillatori per essere impiegati con fototubi multi-anodo. • Verranno confrontate le risposte di due scintillatori di cui

uno con lucidatura ed uno senza lucidatura utilizzando un fototubo ad alta efficienza quantica e sorgenti radioattivesigillate collimate.

• Lo scopo della misura e' verificare se il taglio, gia' realizzato da una ditta specializzata e la lavorazione deicampioni è sufficientemente buona per un loro impiegoanche in vista di esperimenti di polarimetria hard X digrande area.

• Gli studenti utilizzeranno sorgenti a raggi X elettronicastandard e software di acquisizione e analisi disponibile per valutarela efficienza di raccolta di luce con queste due lavorazioni.

Sede della esperienza IAPS/INAF c/o CNR Area di ricerca di Tor Vergata

http://www.artov.rm.cnr.it/sitoarea/Area/Dovesiamo.html

Collegamento tra l'Area di Ricerca Tor Vergata con la stazione Metro A Anagnina (Servizio Atac)  LINEA 509 (Ogni mezz’ora ultima corsa serale ore 19.30)

Disponibile un Bar e una Mensa : costo del pranzo completo circa 5 euro