Il Polarimetro X MPGD: il caso di fisica, il modello Monte Carlo completo e il confronto con i dati sperimentali

Abstract

Nel campo dell' astronomia X, sono state applicate con successo tecniche fotometriche, spettroscopiche e di $Imaging$, mentre, per la polarimetria, la prima ed unica misurazione di polarizzazione, risale ad ormai 30 anni fa. Questo perch\'e le tecniche classiche per misurare la polarizzazione nella banda X (Scattering Thomson e riflessione di Bragg), non hanno permesso di sviluppare strumenti con la necessaria efficienza. La polarimetria ha per\'o un ruolo fondamentale nel validare i modelli di emissione delle sorgenti astronomiche, fornendo informazioni, non ottenibili in altro modo, sui meccanismi di emissione e sulla geometria di molte sorgenti X. Nella prima parte di questa tesi vengono descritti alcuni dei processi che possono generare la polarizzazione della radiazione, quali lo scattering dei fotoni o i meccanismi stessi di emissione, e vengono presentati alcuni modelli di emissione da sorgenti come i nuclei galattici attivi, i residui di supernova, le magnetar. Il polarimetro X a {\itshape{MicroPattern Gas Detector}} (MPGD) \`e un rivelatore a gas, caratterizzato da un piano di lettura separato dalla zona di moltiplicazione e costituito da una densa matrice di pixel esagonali microscopici ($80 \mu m$ di passo). Lo strumento \`e stato ideato per la misurazione della polarizzazione X nel $range$ di energie da 2 a 10 keV e, rispetto agli strumenti precedentemente sviluppati, permette di ridurre i tempi di osservazione di $2-3$ ordini di grandezza. La polarizzazione della radiazione viene misurata sfruttando il meccanismo principale di assorbimento dei fotoni per le energie d'interesse, l'effetto fotoelettrico: dalla distribuzione dell'angolo di emissione del fotoelettrone \`e , infatti, possibile ricavare informazione sulla polarizzazione della radiazione incidente. La parte iniziale del lavoro \`e consistita nel mettere a punto una dettagliata simulazione Monte Carlo del polarimetro MPGD, A questo scopo sono stati simulati i vari processi coinvolti nella formazione del segnale di uscita dello strumento: l'assorbimento fotoelettrico del fotone X nel gas, il processo di rilassamento dell'atomo assorbitore (fluorescenza o emissione di un elettrone Auger), il ``cammino' del fotoelettrone, generato dai processi di scattering elastico e dalla perdita di energia mediante collisioni ionizzanti con gli elettroni atomici, la diffusione degli elettroni generati verso la regione di moltiplicazione, il processo di moltiplicazione della carica e, infine, la raccolta e la digitalizzazione del segnale nel piano di lettura. Il dato in uscita dalla simulazione \`e stato codificato come il segnale reale, in modo da poter processare i dati con lo stesso algoritmo di analisi. Lo strumento fornisce le proiezioni bidimensionali del percorso compiuto dal fotoelettrone nel gas; per poter ricavare l'informazione necessaria per misurare la polarizzazione, occorre ricostruire la direzione iniziale del fotoelettrone. L'algoritmo di analisi consiste nell'individuazione della posizione in cui \`e stato generato il fotoelettrone e quindi nell'individuazione dell'asse principale della regione della traccia vicina a tale punto. La simulazione \`e stata, quindi, utilizzata per studiare in dettaglio i vari aspetti dell'analisi, al fine di ottimizzare la ricostruzione dell'angolo di emissione e della posizione di creazione del fotoelettrone, al variare dell'energia dei fotoni rivelati e delle caratteristiche delle specie contenute nel gas. Inoltre, sono stati discussi alcuni dati sperimentali misurati con il prototipo dello strumento, attualmente in laboratorio: il fattore di modulazione osservando sorgenti polarizzate o non polarizzate, la ricostruzione dell'angolo di polarizzazione e la capacit\'a di $Imaging$. Questi dati sono stati confrontati con i risultati forniti dalla simulazione. Dall'analisi statistica delle misura di polarizzazione, \`e possibile ricavare una definizione di fattore di qualit\'a dello strumento, che \`e stato utilizzato per valutare le prestazioni dello strumento al variare della sua configurazione: componenti e pressione del gas contenuto nella zona di assorbimento, spessore della stessa e passo dell'elettrodo di campionamento (il prossimo sviluppo dello strumento prevede l'utilizzo di una $pixmap$ di lettura con un campionamento a $50$ $\mu m$). Infine, sono state calcolate le prestazioni globali dello strumento osservando alcune sorgenti astronomiche, utilizzando come criterio di valutazione la minima polarizzazione rilevabile. Nella sua configurazione definitiva con pixel da 50 $\mu m$, lo strumento \`e in grado di misurare gradi di polarizzazione dell'ordine del $\sim 1\%$ per flussi di qualche mCrab. Questa sensibilit\'a permette di effettuare misure di polarimetria per migliaia di sorgenti galattiche ed extragalattiche e rappresenta una svolta per l'astronomia X