Design of a water Cherenkov detector prototype

Background. A new-generation cosmic ray detector based on the water Cherenkov technique, the Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), is being developed. It holds a great scientific potential, showcased by the previous generation of detectors such as HAWC, and due to the fact that no such instrument yet exists in the Southern hemisphere. Goals. Several research institutions led by INFN are working on the realization of a fully functional water Cherenkov detector prototype, to be located within Politecnico di Milano's spaces. Work. Two prototypes have been studied, a full-sized one and a scaled one. The design of a mechanical frame along with all the supporting structures and materials has been developed for the full-sized prototype, and it has been represented in detail through Autodesk Inventor models and simulations. At the same time, a fully working scaled prototype has been realized, and some exploratory acquisitions have been run for the muon (the only particles detectable at Milano's height) showers that reach the scaled tank. Results. An iron beam frame has been fully designed through a step by step procedure, following the requirements imposed by the experiment, as well as those coming from its location. It is equipped with wheels to be fully mobile, a roof to protect the the tank from the environment, and a pulley system to move the PMTs. The scaled prototype has been fully developed, and connected to a data acquisition chain specifically set up for it. The acquisitions show the Cherenkov photon spectral distribution, which are coming from the muon showers.

Contesto. È in fase di sviluppo un rivelatore di raggi cosmici di nuova generazione basato sulla tecnica water Cherenkov, chiamato Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Questo strumento ha un grande potenziale scientifico, dimostrato dalla precedente generazione di rivelatori, come HAWC, e dal fatto che non esiste ancora uno strumento simile nell'emisfero meridionale. Scopo. Diversi istituti di ricerca, guidati dall'INFN, stanno lavorando alla realizzazione di un prototipo di rivelatore water Cherenkov, da collocare all'interno degli spazi del Politecnico di Milano. Metodo. Sono stati studiati due prototipi, uno a grandezza naturale e uno in scala. Per il prototipo a grandezza naturale è stato sviluppato il progetto di un telaio meccanico con tutte le strutture e i materiali di supporto, ed è stato rappresentato in dettaglio attraverso modelli e simulazioni con Autodesk Inventor. Allo stesso tempo, è stato realizzato un prototipo funzionante in scala e sono state eseguite alcune acquisizioni esplorative per le air shower di muoni (le uniche particelle rilevabili all'altezza di Milano) che raggiungono il serbatoio in scala. Risultati. Un telaio in travi di ferro è stato interamente progettato attraverso una procedura graduale, seguendo i requisiti imposti dall'esperimento e quelli derivanti dalla sua ubicazione. È dotato di ruote per essere completamente mobile, di un tetto per proteggere il serbatoio dall'ambiente e di un sistema di carrucole per spostare i PMT. Il prototipo in scala è stato completamente sviluppato e collegato a una catena di acquisizione dati appositamente predisposta. Le acquisizioni mostrano la distribuzione spettrale dei fotoni Cherenkov, provenienti dalle air shower di muoni.