Il complesso di rivelazione  MEDEA – SOLE – MACISTE

MEDEA è un sistema di rivelazione per raggi gamma e particelle cariche leggere, progettato per operare sotto vuoto all’interno di una grande camera di reazione. La sua configurazione attuale consiste di 180 cristalli di fluoruro di bario, disposti nella forma di una sfera di 22 cm di raggio interno. La sfera di BaF2 copre angoli polari da 30° a 170° e l'intero intervallo azimutale. Lo spessore tipico di ogni modulo è di 20 cm, cioè circa 10 lunghezze di radiazione, e corrisponde al range di protoni da circa 300 MeV e di particelle alfa da circa 1 GeV. L'efficienza di rivelazione di ogni modulo è superiore al 95% per fotoni di energia da 1 a 300 MeV.

Il fluoruro di bario è uno scintillatore che presenta una interessante proprietà: la sua emissione di luce ha due componenti distinte, con tempi di decadimento (600 ps e 600 ns), la cui quantità relativa è funzione del tipo di radiazione incidente. Il rapporto tra componente veloce e componente lenta è massimo per i fotoni e diminuisce per le particelle cariche al crescere del numero atomico Z.
La discriminazione tra raggi gamma e particelle cariche leggere si ottiene utilizzando un metodo di analisi in forma degli impulsi di luce: l'integrazione separata del segnale totale e della componente veloce permette l'identificazione dei raggi gamma, degli isotopi dell’idrogeno (Z=1) e delle particelle con Z=2, a partire da energie depositate di qualche MeV. Inoltre, grazie alla presenza della componente veloce, i moduli di MEDEA hanno una risoluzione temporale molto buona (inferiore a 1 ns). Combinando l’informazione sul tempo di volo e l'analisi in forma dell'impulso si ottiene una buona discriminazione tra raggi gamma e neutroni. Recentemente, alcuni moduli sono stati modificati per ottimizzare la rivelazione dei neutroni.

Ad angoli molto in avanti, MACISTE, posto a 15 m dal bersaglio, è in grado di identificare i prodotti di reazione trasportati su di esso da SOLE, un solenoide superconduttore situato proprio all'uscita della camera di reazione di MEDEA. SOLE opera alla temperatura dell'elio liquido e il suo campo magnetico massimo è di 5 Tesla. Esso ha una accettanza angolare di circa 6° e una accettanza in momento di circa 20%. MACISTE si compone di quattro telescopi, con camere a gas, per la misura della perdita di energia e per l’informazione bidimensionale sulla posizione, seguite da scintillatori plastici per la misura dell'energia residua, disposti in una geometria variabile simile a un diaframma fotografico. Un foro centrale è lasciato libero per il passaggio del fascio. La lunga base di volo consente la rivelazione e l'identificazione di frammenti di tipo projectile-like e di residui pesanti emessi a piccoli angoli.

Se necessario, in base alle esigenze dell’esperimento, il multi-rivelatore MEDEA può essere completato con dei rivelatori ausiliari. A titolo di esempio, esso è già stato utilizzato con PPAC, con telescopi per la rivelazione e l'identificazione di ioni con Z> 2 e con rivelatori di neutroni situati all'esterno della camera da vuoto.

MEDEA è stato concepito per esperimenti con i fasci di ioni pesanti del Ciclotrone Superconduttore dei Laboratori Nazionali del Sud ed è particolarmente adatto per la misura di grandezze correlate ai meccanismi di produzione di raggi gamma di alta energia e di pioni neutri, alla dinamica delle collisioni nucleo-nucleo e alle proprietà dei nuclei caldi.

Nel corso di circa 25 anni di attività, MEDEA ha dato importanti contributi a una serie di questioni aperte nell’intrigante campo della fisica degli ioni pesanti alle energie intermedie. In particolare, grazie ai risultati sperimentali di MEDEA, sono state identificate e studiate opportune sonde per i diversi tempi di reazione, sono stati messi in evidenza limiti del moto collettivo dei nuclei, sono state ottenute informazioni sulla EOS della materia nucleare e sul suo termine di simmetria.