L'Universo è sede di numerosi fenomeni esotici di straordinaria bellezza, alcuni dei quali possono originare quantità inimmaginabili di energia. Buchi neri supermassivi, stelle di neutroni che si fondono, getti di gas caldo che si muovono a velocità prossima a quella della luce... Queste sono solo alcune delle sorgenti che generano radiazione gamma, la forma più energetica di radiazione, miliardi di volte più energetica della luce visibile che arriva ai nostri occhi.

Cosa produce tutta questa energia?
Cosa accade nelle regioni che circondano la zona di emissione?
Come aumenterà la nostra conoscenza sulla natura dell'Universo lo studiare questi oggetti cosÌ energetici?

Il Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST) ci aiuterà a rispondere a queste domande attraverso l'esplorazione dell'Universo ad alta energia.

Introduzione
Nel 1961 gli strumenti a bordo del satellite Explorer 11 misero in evidenza la presenza di raggi gamma provenienti dal cielo; da allora molte altre missioni sono state realizzate per apprendere quanto più possibile dal cielo gamma. L'ultima grande missione fu il Compton Gamma Ray Observatory, operativo dal 1991 fino al 2000, grazie al quale vennero fatte scoperte di notevole rilevanza scientifica.

Il Gamma ray Large Area Space Telescope (GLAST) può essere considerato il successore di CGRO: si tratta infatti di una missione su satellite dedicata proprio allo studio dei raggi gamma provenienti dall'Universo (Figura 1). GLAST è il frutto di una collaborazione internazionale in cui l'Italia riveste un ruolo di responsabilità e di fondamentale importanza. Il lancio di GLAST è previsto per il 2007 ed attualmente la fase di costruzione degli strumenti è in uno stadio avanzato.
Studiare i raggi gamma di origine celeste permette di indagare i fenomeni più energetici che avvengono nel Cosmo ed avere così una visione più completa dell'Universo che ci circonda. Le emissioni gamma sono spesso correlate alla presenza di particelle cariche accelerate ad altissime energie.
Molte sorgenti gamma sono pertanto equivalenti ad acceleratori di particelle enormemente più potenti di quelli costruiti dall'uomo.
Le indagini di GLAST porteranno quindi grandi contributi tanto allo studio dell'Universo, quanto all'indagine sui costituenti fondamentali della materia.


I raggi gamma in natura
I raggi gamma costituiscono la parte più energetica dello spettro elettromagnetico (Figura 2), ed hanno lunghezze d'onda inferiori a quelle dei raggi X. Poiché ciascun fotone trasporta una quantità di energia direttamente proporzionale alla sua frequenza (dalla relazione di Einstein E = h ) si comprende come i raggi gamma trasportino quantità enormi di energia.

Nel mondo microscopico si utilizza come unità di misura di energia l'elettronvolt (eV), che corrisponde all'energia acquistata da un elettrone quando attraversa una differenza di potenziale di 1 Volt. Si tratta di un'unità piccolissima confrontata con il Joule ( 1 J = 1,6 x 1019 eV ), tuttavia l'eV è molto comodo per esprimere unità di misura nel mondo atomico e subatomico. Si utilizzano anche i multipli dell'eV, come il keV, il MeV ed il GeV.
In fisica si considerano raggi gamma i fotoni di energia superiore a 100 keV, e GLAST osserverà i fotoni con energia compresa fra circa 20 MeV fino a 300 GeV, coprendo un intervallo estremamente ampio. Per fare un paragone basta ricordarsi che l'energia trasportata da un fotone visibile è di circa 1 eV. Parte di questa finestra spettrale (30 GeV-300GeV) non è mai stata esplorata.
A bordo di GLAST sarà presente anche uno strumento secondario che permetterà di studiare i fenomeni transienti di energia compresa fra 10 keV e 25 MeV.
In natura i raggi gamma possono essere prodotti in molti modi. Vi sono ad esempio fenomeni legati alla fisica nucleare come i decadimenti nucleari gamma o la fusione nucleare. Altri meccanismi importanti di produzione sono ad esempio la radiazione di frenamento (in tedesco bremsstrahlung), che viene prodotta quando un elettrone entra nel campo elettromagnetico di un nucleo atomico e viene rallentato. Un altro meccanismo di produzione, che ha notevole rilevanza astrofisica è la radiazione di sincrotrone, emessa quando una particella carica attraversa un campo magnetico in direzione non parallela all'asse del campo. Un altro meccanismo rilevante è la Diffusione Compton Inversa (Inverse Compton Scattering), che si ha quando i raggi X interagiscono con elettroni di alta energia. In seguito all'interazione parte dell'energia dell'elettrone è ceduta al fotone che emerge dall'interazione con un'energia, e quindi una frequenza, maggiori.


Come si rivelano i raggi gamma. Gli strumenti di GLAST
Uno strumento per rivelare i raggi gamma, anche se spesso viene definito "telescopio a raggi gamma" assomiglia più ad un rivelatore di fisica delle particelle che ad un tradizionale telescopio. Al posto di lenti e specchi vengono impiegati rivelatori molto sofisticati, il cui funzionamento si basa sui meccanismi di interazione fra i raggi gamma e la materia. Ad energie dei fotoni superiori alla decina di MeV il processo principale è la "produzione di coppie", un fenomeno in base al quale un raggio gamma interagendo con la materia è convertito in una coppia di particelle formata da un elettrone ed un positrone (l'antiparticella dell'elettrone, uguale all'elettrone ma con carica positiva). Conoscendo la traiettoria e l'energia delle due particelle "figlie" è possibile risalire all'energia ed alla direzione del raggio gamma iniziale (Figura 3).

Figura 3: Schema di funzionamento di un telescopio gamma

Figura 4: Spaccato del LAT

Lo strumento principale di GLAST, il Large Area Telescope (LAT) funziona sfruttando questo meccanismo. Il LAT ha una struttura modulare basata su 16 elementi identici chiamati "torri" (Figura 4).
Ogni torre a sua volta è costituita da due sottosistemi:
un tracciatore ad alta precisione ed un calorimetro elettromagnetico (Figura 5).

Il tracciatore, un "misuratore di traiettorie", è costituito da un complesso rivelatore basato sulle più moderne tecnologie a semiconduttore è formato da piani di rivelatori al silicio a microstrisce alternati a piani di convertitore per i gamma (tungsteno). Nel tracciatore si formano le tracce della coppia e+e-.
La costruzione dell'intero tracciatore è responsabilità della collaborazione italiana, in particolare della componente di Pisa dell'INFN da cui dipende la qualificazione dei sensori al silicio, l'ingegnerizzazione della costruzione, la definizione delle procedure di allineamento e di assemblaggio e di tutti i test elettrici e meccanici di accettazione delle varie componenti del tracciatore.

Al calorimetro è affidata la misura dell'energia dei prodotti dell'interazione del raggio gamma. Da questa misura è possibile risalire all'energia del gamma incidente. Questo strumento è strutturato in una matrice di cristalli di ioduro di cesio in modo tale da permettere di ricostruire lo sviluppo della perdita di energia che in esso avviene. Questa ulteriore informazione, integrando con quella proveniente dal tracciatore, permette di risalire alla direzione del gamma e quindi alla localizzazione in cielo della sorgente.
Uno schermo di anticoncidenza (ACD) strutturato a piastrelle di scintillatore plastico riveste l'intera struttura del LAT. Lo schermo serve ad eliminare i segnali prodotti dalle particelle cariche presenti nello spazio. Queste particelle possono produrre nel rivelatore effetti simili a quelli di un raggio gamma e costituiscono quindi una fonte di rumore da eliminare.


Grazie alla nuova tecnologia impiegata, il LAT potrà osservare una banda energetica molto più ampia rispetto a quanto osservato dall'esperimento EGRET, il predecessore del LAT, che fu operativo dal 1991 al 2000 a bordo della missione CGRO. Inoltre il tracciatore ad alta precisione consentirà di raggiungere risoluzioni angolari ottime, scendendo al di sotto di 0.1° per fotoni di energia superiore a 10 GeV. La sensibilità del LAT sarà circa 50 volte superiore a quella di EGRET e questa caratteristica, unita alla maggiore area efficace dello strumento, consentirà di raccogliere in un solo giorno un numero di fotoni pari a quelli raccolti da EGRET durante tutta la sua fase operativa!

Per lo studio dei fenomeni transitori , come ad esempio i lampi di luce gamma ed i brillamenti solari, è previsto un secondo strumento a bordo del satellite, il GLAST Burst Monitor (GBM, Figura 6), che controllerà costantemente tutto il cielo visibile e sarà pronto a segnalare il manifestarsi di un fenomeno. Sarà possibile quindi un ripuntamento del LAT in quella direzione. Il GBM osserverà una banda spettrale compresa fra 10 keV e 25 MeV.

GLAST e l'Universo gamma
Le grandi prestazioni di GLAST promettono di ottenere un risultato scientifico incredibilmente maggiore rispetto a quello del CGRO. L'universo gamma è estremamente ricco e dinamico (Figura 7). All'interno della nostra Galassia sono stati osservati resti di supernova che emettono raggi gamma. Secondo i modelli attuali si ritiene che i resti di supernova, costituiti da materiale espulso in seguito all'esplosione di una supernova, siano siti di accelerazione di particelle; ciò spiegherebbe l'enorme emissione di raggi gamma ad essi collegata. Sono state inoltre scoperte pulsar che emettono raggi gamma. Le pulsar sono stelle di neutroni dotate di un enorme campo magnetico e che ruotano ad altissima velocità. Queste due caratteristiche sono responsabili dell'emissione in molte bande spettrali, fra cui i raggi gamma.

Come si nota dalla Figura 7 è stata rivelata anche un'emissione diffusa di raggi gamma che si concentra nel piano galattico, dovuta all'interazione dei raggi cosmici con il mezzo interstellare. Vi sono poi molte galassie attive che emettono raggi gamma, e questo particolare tipo di nuclei galattici attivi prende il nome di blazar. Un particolare aspetto del cielo gamma, che suscita molto interesse fra i ricercatori, è la presenza di sorgenti transienti, la cui luminosità aumenta per un certo intervallo di tempo prima di scomparire. In particolare vi sono i lampi gamma, attualmente fra gli enigmi più intriganti dell'Universo, che appaiono in istanti e direzioni casuali. Si pensa che i lampi gamma (Gamma Ray Burst) siano eventi catastrofici che si originano in seguito al collasso di buchi neri oppure allo scontro fra buchi neri o fra stelle di neutroni. GLAST offrirà una possibilità unica per studiare a fondo l'Universo gamma: oltre a scoprire migliaia di nuove sorgenti, potrà indagare settori di ricerca di frontiera, come ad esempio la Cosmologia. Secondo molti modelli GLAST potrebbe rivelare la presenza di particelle ancora ignote che contribuiscono alla materia oscura e che annichilano emettendo gamma.

L'attività del gruppo GLAST a Pisa
Il gruppo pisano dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) fa parte della collaborazione internazionale di GLAST insieme ad altre sezioni INFN (Bari, Padova, Perugia, Roma2, Trieste e Udine).
L'attività principale del gruppo è legata alla costruzione e test del tracciatore al silicio del LAT. A Pisa vengono seguite e coordinate tutte le attività relative all'hardware e al software del tracciatore. Il capogruppo di Pisa, Ronaldo Bellazzini, è il responsabile delle attività GLAST in Italia. Il tracciatore del LAT, con circa 82 m2 di area totale è il più grande sistema di tracciatura mai inviato nello spazio e la sua costruzione è una notevole sfida tecnologica e scientifica.

I mattoni fondamentali del tracciatore del LAT sono costituiti da wafer di silicio di tipo n con impianti di tipo p a strisce di circa 60 m di larghezza distanziate tra loro di circa 230 m, per un tota-le di 384 strisce per ogni wafer. Le dimensioni del wafer sono 8.95 8.95 cm2 (Figura 8). I wafer vengono incollati tra loro a gruppi di 4 e ciascuna striscia collegata alla striscia corrispondente sul wafer successivo attraverso una microsaldatura ad ultrasuoni (Figura 9). Si forma così un rivelatore composto chiamato ladder.

Per i prototipi e per il tracciatore sono necessari circa 11000 wafer, ciascuno dei quali è stato testato singolarmente per controllare che le specifiche elettriche e geometriche fossero corrette. Il lavoro di test è stato messo a punto a Pisa. In seguito è stata affiancata una stazione di test anche presso l'INFN di Perugia. La realizzazione dei ladder è condotta presso la G&A engineering, un'azienda italiana nel settore tecnologico i cui dipendenti lavorano in stretto contatto con i ricercatori INFN. Quattro ladder formano un piano di rivelazione. A due a due i piani di rivelazione vengono incollati con le strip rivolte verso l'esterno su i due lati di una struttura di materiale composito in fibra di carbonio con un'anima interna in alluminio a nido d'ape per formare un elemento modulare chiamato tray (Figura 10).

Questa struttura è al tempo stesso molto leggera per non aumentare il carico dovuto al tracciatore ma al tempo stesso molto robusta e rigida da impedire torsioni che potrebbero danneggiare i sensori al silicio. Tra il piano inferiore di silicio e la struttura in carbonio è interposto un foglio di tungsteno strutturato a mattonelle più o meno delle stesse dimensioni dei wafer. Sulle pareti laterali del tray viene montata l'elettronica di lettura (Figura 11). Ciascuna strip di un ladder è microsaldata all'ingresso del rispettivo amplificatore di carica.

Figura 10: Foto di uno dei 342 tray di GLAST

Figura 11: Particolare dell'elettronica montata sul tray e microsaldata alle strip dei sensori

In totale il tracciatore è equipaggiato con circa un milione di canali di elettronica! Gran parte dell'attività di test dei tray viene condotta presso i laboratori INFN di Pisa, dove vengono anche realizzati test di tipo strutturale. 19 tray montati uno sull'altro e con le strip di ogni tray ortogonali a quelle dei tray vicini vanno a comporre una singola torre (Figura 12). Le torri sono assemblate e testate a Pisa quindi vengono sottoposte a test vibrazionali e cicli in termo-vuoto nei laboratori dell' Alenia Spazio in collaborazione con le sedi di Roma, Bari e Perugia dell'NFN.

Affiancata all'attività hardware il gruppo di Pisa svolge un ruolo molto importante nello sviluppo del software per l'analisi dei dati in collaborazione con i ricercatori dello Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) presso S.Francisco.
Il gruppo pisano è inoltre coinvolto nello sviluppo di programmi di simulazione di alcune classi di sorgenti gamma (lampi gamma e pulsar) allo scopo di conoscere più a fondo le problematiche scientifiche dell'esperimento e le sue potenzialità osservative, in relazione allo sviluppo di tecniche di analisi dei dati.