Study of the water Cerenkov detector prototype for the southern wide-field gamma-ray observatory

The scientific potential of a wide field of view, high duty cycle and ground-based gamma-ray detector has been demonstrated by the current generation instruments, HAWC and ARGO. No such instrument exists in the southern hemisphere, where the SWGO project can show its maximum potential. Based on these facts, the main goals of this work aim to develop a preliminary study in several application fields in order to find solutions that could allow for an easier development and implementation of the SWGO scientific programme. Multiple areas have been deeply investigated not only from a scientific and analytic point of view, but also taking into account technological, economic and financial aspects. The major research domain concerns the analysis and development of a Water Cerenkov Detector, the study and simulation of an elevated support structure, a detailed investigation of every subsystem, including possible water types and adopted materials. Finally an experimental test has been performed on a small scale test tank in order to simulate Cerenkov light and understand if and how well low-cost equipment can be implemented to carry out preliminary results which can be later applied on a real scale prototype, as the one that is planned to be built in Milano Bovisa in the Department of Aerospace Science and Technology laboratory.

L’efficacia scientifica di un rilevatore di raggi gamma a terra, ad ampio campo visivo e con un ciclo di lavoro elevato è stato dimostrato da due diversi osservatori della generazione attuale, HAWC e ARGO. Al momento questa tipologia di osservatorio non esiste nell'emisfero meridionale, dove il progetto SWGO può mostrare il suo massimo potenziale. Sulla base di questi fatti, gli obiettivi principali di questo lavoro di tesi mirano a sviluppare uno studio preliminare in diversi settori applicativi al fine di trovare soluzioni che consentano uno sviluppo e un'attuazione più facili del programma scientifico SWGO. Sono state approfondite diverse aree, non solo dal punto di vista scientifico e analitico, ma anche tenendo conto degli aspetti tecnologici, economici e finanziari. Il principale campo di ricerca riguarda l'analisi e lo sviluppo di un rivelatore Cerenkov ad acqua, lo studio e la simulazione di una struttura di supporto sopraelevata, un'indagine dettagliata di ogni sottosistema, compresi i possibili tipi di acqua e i materiali da adottare. Infine, è stato eseguito un esperimento su piccola scala con un tino al fine di simulare la luce Cerenkov e capire se e come delle attrezzature a basso costo siano in grado di effettuare misure preliminari, in modo da essere successivamente implementate su scala reale in un prototipo, come quello previsto a Milano Bovisa presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali.