Design of a Cherenkov detector for very-high-energy gamma rays

Context. An international collaboration is working on the realization of a next-generation observatory situated in the Southern hemisphere, which offers a privileged view on the center of the galaxy: the Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Aims. The Italian partners of the SWGO collaboration (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Politecnico di Milano and the universities of Torino, Padova and Napoli) are working on the construction of a prototype water Cherenkov detector in Politecnico di Milano, to use as a flexible testing facility. Methods. An analytical study on muons’ showers (the only particles detectable at Milano’s altitude) has been carried out with the use of the HAWCSim software to study the correlation between the detection capabilities of the prototype tank and the water level with the purpose of choosing the water level for the tests and consequently an installation site that could handle the pressure. At the same time, a structure able to hold different types of detectors in multiple configurations has been designed: first a CAD model in SolidWorks has been realized for load simulations and then the structure has been built and tested in Politecnico’s labs. Results. The simulations showed a linear increase of detection efficiency with the water level, as well as an increase of the number of photoelectrons (PE) detected and a reduction of the dispersion of the detection time of the first photon. The photomultipliers holder has been designed in two versions: a large hexagonal one capable of handling a high number of sensors configurations and a small cross-shaped one, more simple and economic, for starting the tests with the reference configuration. The second structure has been built and tested; its pieces will be recycled for the larger one afterwards. As soon as the tank construction is completed, the first tests will start.

Contesto. Una collaborazione internazionale sta lavorando alla realizzazione di un osservatorio di nuova generazione situato nell’emisfero Sud, che offre una vista privilegiata sul centro della galassia: il Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Obiettivi. I partner italiani della collaborazione SWGO (Istituto Nazionale di Fisica Nu cleare(INFN), il Politecnico di Milano e le università di Torino, Padova e Napoli) stanno lavorando alla costruzione di un prototipo di rilevatore Cherenkov ad acqua al Politecnico di Milano, da usare come struttura di test. Metodi. Uno studio analitico su sciami di muoni (le uniche particelle rilevabili all’altitudine di Milano) è stato fatto con l’uso del software HAWCSim per studiare la correlazione tra le capacità di rilevazione della tank prototipo ed il livello dell’acqua, allo scopo di scegliere il livello dell’acqua per gli esperimenti e conseguentemente un sito di installazione che potesse sostenere la pressione. Contemporaneamente, è stata progettata una struttura in grado di sostenere diversi tipi di sensori in varie configurazioni: prima è stato realizzato un modello CAD in SolidWorks per le simulazioni di carico e poi la struttura è stata costruita e testata nei laboratori del Politecnico. Risultati. Le simulazioni hanno mostrato un incremento lineare dell’efficienza di rilevazione con l’aumento del livello dell’acqua, un incremento nel numero di fotoelettroni rilevati e una riduzione della dispersione del tempo di rilevamento del primo fotone. La struttura per sostenere i fotomoltiplicatori è stata progettata in due versioni: una grande esagonale in grado di reggere un alto numero di configurazioni di sensori e una piccola a forma di croce, più semplice ed economica, per iniziare i test con la configurazione di riferimento. La seconda struttura è stata costruita e testata; i pezzi verranno poi riciclati per la struttura più grande. Appena la costruzione della tank sarà ultimata, inizieranno i primi esperimenti.