Analysis and estimation of the scientific performance of the GAMMA-400 experiment

Per uno studio completo che parte dalla materia oscura e va all'origine e propagazione dei raggi cosmici, quello multi canale ਠuno degli approcci migliori per risolvere i quesiti irrisolti della fisica delle astroparticelle. GAMMA-400, grazie alla sua natura duale, dedita allo studio di raggi cosmici (elettroni fino alle energie del TeV e protoni e nuclei fino a 10^{15}-10^{16} eV) e raggi gamma (da 50 MeV fino a qualche TeV), si dedicherà  allo studio di questi problemi. Lo scopo di questa tesi ਠlo studio delle prestazioni di GAMMA-400 per l'osservazione dei raggi gamma. Due diverse configurazioni della geometria sono state studiate: la "baseline" e la cosiddetta configurazione "enhanced". Le principali differenze tra queste due configurazioni si trovano nel tracciatore e nel calorimetro. Il tracciatore della "baseline" ਠcomposto da dieci piani di silicio, otto dei quali comprendono anche uno strato di ~0.1 X_0 di tungsteno. Il tracciatore della configurazione "enhanced" ਠinvece composto da 25 piani di silicio inframezzati da uno strato di tungsteno di ~0.03 X_0. Il calorimetro della "baseline" ਠdiviso in due sezioni: una parte composta da due piani di ioduro di cesio e silicio (chiamata "pre-shower") e una seconda parte composta da 28x28x12 cubi di ioduro di cesio. Il calorimetro della configurazione "enhanced" ਠinvece composto solo da 20x20x20 cubi di ioduro di cesio. Per stimare le prestazioni ho sviluppato un algoritmo di ricostruzione della direzione del raggio gamma incidente. La ricostruzione puಠfare uso delle informazioni provenienti dal tracciatore, dal "pre-shower" o dal calorimetro, sia combinandole che singolarmente. Le direzioni ottenuta grazie alle informazioni del solo "pre-shower" o del solo calorimetro, anche se di minor risoluzione, possono essere utili per aumentare il numero di fotoni visti ad alta energia e per fornire le informazioni necessarie all'osservazione di transienti con i telescopi Cherenkov a terra. La risoluzione angolare utilizzando il tracciatore ਠmigliore nel caso della configurazione "enhanced". A basse energie ciಠਠpossibile grazie al minore tungsteno, e di conseguenza minor "scattering" multiplo, presente all'interno del tracciatore. Il calorimetro pi๠piccolo, e pi๠profondo, seppur ostacolando la ricostruzione dell'energia di fotoni ad alta energia, produce anche un numero minore di particelle di "backsplash" che peggiorano la ricostruzione delle tracce. L'area efficace totale della "baseline", potendo contare su un calorimetro pi๠grande ed il "pre-shower", ਠpi๠grande rispetto alla configurazione "enhanced". La risoluzione angolare, l'area efficace e la strategia di osservazione dello strumento contribuiscono alla sensitività  per sorgenti puntiformi. La sensitività  totale dello strumento ਠmigliore per la "baseline" per energie maggiori di 5 GeV. Ho implementato un set prelminare di condizioni di "trigger" per lo studio dei raggi gamma tramite l'utilizzo delle informazioni del tracciatore. La necessità  di rigettare la maggior parte delle particelle cariche deriva dall'elevato fondo presente in orbita (~10^6 protoni per raggio gamma) e una capacità  di "downlink" limitata (~100 GB/day). Tra le due configurazioni si nota una differenza di meno dell'1% nel numero rimanente di protoni. Seppur promettente, tale risultato deve essere migliorato e possibili miglioramenti sono descritti nella tesi. Gli algoritmi di ricostruzione e "trigger" sono applicati all'analisi della possibilità  di studiare "gamma-ray burst" (GRB) con la principale strumentazione a bordo di GAMMA-400. Una stima del numero di eventi non ricostruiti, perchਠavvengono nel tempo morto tra due "trigger", ਠeffettuata tramite la simulazione di un ipotetico GRB accoppiata ai tempi di arrivo dei fotoni presi dai dati reali di due GRB osservati da Fermi. In nessuna delle due configurazioni ਠvisibile una percentuale significativa di "pile-up". Anche aumentando il flusso dei GRB la percentuale di eventi non ricostruiti non supera mai il 6%. Nonostante questo risultato, molto dipenderà  dal disegno finale dell'elettronica di lettura dei rivelatori che potrebbe aumentare i tempi morti dello strumento.