Si inaugura a Ferrara LAUE: lenti a caccia di raggi gamma

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Giovedì 10 ottobre verrà inaugurata a Ferrara un grande facility per raggi gamma dedicata allo sviluppo di lenti di Laue per l’astrofisica spaziale. La facility è installata in un laboratorio per raggi X, LARIX (LARge Italian X-ray facility) che comprende un tunnel protetto lungo 100 m, affiancato da due grandi sale sperimentali agli estremi. La realizzazione della facility rientra in un progetto, denominato LAUE, finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI).

Le lenti di Laue sono dei focalizzatori di raggi gamma soffici di energia maggiore di 70-100 keV. Per intenderci, i raggi di energia 70-80 keV sono quelli usati dai dentisti per le radiografie, mentre quelli attorno a 100 keV sono sono quelli impiegati per la radioterapia o per la TAC.



Lente di LAUE in fase di assemblaggio

Gli oggetti celesti emettono raggi gamma oltre 70-100 keV. L’astronomia in raggi gamma soffici (80-600 keV) è riconosciuta essere cruciale per lo studio dei fenomeni più energetici e violenti nell’Universo. In aggiunta la banda 80-600 keV include la riga di annichilazione materia-antimateria (511 keV), osservata dal centro della nostra Galassia, ma la cui origine è ancora un mistero. Infatti, nonostante la sua importanza, tale finestra di osservazione del cielo è finora poco esplorata. La ragione è che in tale banda il flusso dagli oggetti celesti diminuisce e gli strumenti attuali non sono sufficientemente sensibili oltre che non avere la capacità di separare angolarmente oggetti vicini. L’unica strada per superare tale empasse è l’impiego di telescopi focalizzanti. Infatti mentre la sensibilità degli strumenti attuali cresce con la radice quadrata della loro superficie esposta alla sorgente celeste, quella dei telescopi focalizzanti cresce con l’area di raccolta degli specchi (o delle lenti). Il vantaggio dei telescopi focalizzanti è che non solo sono molto più sensibili ma sono in gradi di fare immagini ben risolte del cielo nel loro campo di vista. Ecco la ragione per l’interesse per lo sviluppo di telescopi focalizzanti di raggi gamma soffici. All’Università di Ferrara, sotto la guida di Filippo Frontera, è iniziata da molto tempo un’attività dedicata allo sviluppo di tali focalizzatori utilizzando la tecnica delle lenti di Laue. Esse si basano sull’impiego di cristalli che riflettono i raggi gamma per effetto della cosiddetta diffrazione di Bragg. Mentre la luce visibile (ma anche X) viene riflessa dalla superficie del materiale impiegato (per esempio, superficie alluminata lucida, o, per i raggi X, superficie dorata perfettamente lucida), nel caso dei raggi gamma soffici la riflessione si sfrutta l’interferenza fra la natura ondulatoria della radiazione elettromagnetica e la disposizione periodica degli atomi in un cristallo. Nel caso delle lenti di Laue i piani atomici prescelti per l’interferenza sono perpendicolari alla superficie del cristallo esposta ai raggi gamma.

Tale geometria è nota come diffrazione in trasmissione o alla Laue, da Max Von Laue che per primo scoprì tale configurazione per la diffrazione dei raggi gamma.
Per poter coprire con lenti di Laue una banda continua in energia, come richiesto per l’esplorazione dell’Universo, i cristalli devono avere particolari requisiti: una struttura cristallina cosiddetta a mosaico (fatta di microcristalli leggermente disallineati tra di loro) e possibilmente curvi per poter ottenere il massimo della focalizzazione. Infatti le lenti di Laue hanno la forma di calotte sferiche, giusto come i nostri occhiali e quindi è importante poter disporre di cristalli curvi. Inoltre, per poter focalizzare, con buona sensibilità, raggi gamma in una banda larga, come 80-600 keV, la lunghezza focale di una lente deve essere molto grande, almeno 20 m.
Ebbene, il progetto LAUE ha affrontato tutte queste tematiche. Ha consentito di sviluppare una facility per un accurato assemblaggio di una lente fatta di mattonelle di cristalli, ha permesso, per la prima volta, di sviluppare e produrre in Italia (a Ferrara presso UNIFE, a Parma presso CNR-IMEM), cristalli curvi sia a mosaico che perfetti (con struttura quasi-mosaico) per la realizzazione di un prototipo di petalo di lente. E’ stato anche effettuato, presso la Thales-Alenia di Torino, uno studio di fattibilità di una lente fatta di petali, con risultati positivi.
Il progetto LAUE è il risultato di una collaborazione sinergica tra Scienza e Industria. Infatti in aggiunta a UNIFE, al CNR di Parma e alla Thales Alenia Space di Torino, hanno partecipato a LAUE l'Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (IASF-BO) dell'INAF di Bologna, la DTM Technologies di Modena (ex-Ferrari spaziale) e la Thales Alenia Space-Italia di Milano. La DTM technologies ha avuto il ruolo di “Main Contractor” e ha sviluppato la strumentazione necessaria per l’assemblaggio dei cristalli sul supporto della lente.

Le lenti di Laue, pur essendo state sviluppate per l’astrofisica spaziale, possono trovare applicazioni in altri campi, come, per esempio, in medicina. Infatti la banda di energia dei raggi gamma soffici che potrà essere focalizzata con le lenti di Laue comprende le energie dei raggi gamma impiegati per la radioterapia. La capacità delle lenti di Laue di focalizzare i raggi gamma su superfici dell’ordine del millimetro quadrato consente di aggredire tumori di piccole dimensioni senza irradiare le superfici sane. Un brevetto è in corso di sottomissione. Una dimostrazione questa di quanto è importante la ricerca fondamentale per le ricadute in ambiti di grande interesse sociale.

In allegato il programma della giornata di inaugurazione

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