Prestazioni di un rivelatore spaziale per particelle cariche tramite simulazioni Montecarlo

The NUSES (NeUtrino and Seismic Electromagnetic Signals) space mission, scheduled for launch in 2026, aims to study cosmic rays and possible correlations between seismic phenomena and magnetospheric perturbations (MILC coupling) using two main instruments: Terzina and Zirè. This thesis work focuses on the characterization of the performance of the Zirè detector, dedicated to the measurement of proton and electron fluxes in low orbit (LEO). The study was conducted using Monte Carlo simulations using the Geant4 toolkit. In a first phase, educational examples were developed to validate the implementation of physical processes and provide support materials for future users. Subsequently, the Zirè geometry was modeled, including the sensitive volumes of the Fiber Tracker (FTK), the Plastic Scintillator Tower (PST), the Calorimeter (CALOg) and the anticoincidence system (ACS), but excluding the non-sensitive structural elements and the LEM module. The simulations allowed us to calculate the effective area of the detector for electrons and protons under isotropic conditions, analyzing its dependence on kinetic energy and angle of incidence. The results indicate excellent sensitivity for electrons in the range 1–10 MeV and for protons around 35–40 MeV, with a significant reduction in efficiency at high energies due to the leakage phenomenon of electromagnetic showers. Finally, by integrating the effective area data with realistic particle fluxes provided by the LEOBackground software package, the operational response of the detector on an average day of observation in LEO orbit (550 km, inclination 50°) was estimated. The analysis highlights that primary cosmic rays contribute negligibly (<1 event/day), while the dominant component is secondary particles (atmospheric albedo), with approximately 50,000 events/day for protons and 49,000 for electrons. These results confirm that Zirè is optimized for the study of secondary particle populations, which are fundamental for the investigation of Magnetosphere-Ionosphere-Lithosphere coupling phenomena.

La missione spaziale NUSES (NeUtrino and Seismic Electromagnetic Signals), il cui lancio è previsto per il 2026, si propone di studiare i raggi cosmici e le possibili correlazioni tra fenomeni sismici e perturbazioni della magnetosfera (accoppiamento MILC) tramite due strumenti principali: Terzina e Zirè. Il presente lavoro di tesi si concentra sulla caratterizzazione delle prestazioni del rivelatore Zirè, dedicato alla misura di flussi di protoni ed elettroni in orbita bassa (LEO). Lo studio è stato condotto mediante simulazioni Monte Carlo utilizzando il toolkit Geant4. In una prima fase, sono stati sviluppati esempi didattici per validare l’implementazione dei processi fisici e fornire materiale di supporto per futuri utenti. Successivamente, è stata modellizzata la geometria di Zirè, includendo i volumi sensibili del Fiber Tracker (FTK), della Plastic Scintillator Tower (PST), del Calorimetro (CALOg) e del sistema di anticoincidenza (ACS), escludendo tuttavia gli elementi strutturali non sensibili e il modulo LEM. Le simulazioni hanno permesso di calcolare l’area efficace del rivelatore per elettroni e protoni in condizioni isotrope, analizzandone la dipendenza dall’energia cinetica e dall’angolo di incidenza. I risultati indicano un’ottima sensibilità per elettroni nell’intervallo 1–10 MeV e per protoni attorno ai 35–40 MeV, con una significativa riduzione dell’efficienza ad alte energie dovuta al fenomeno di leakage degli sciami elettromagnetici. Infine, integrando i dati di area efficace con i flussi realistici di particelle forniti dal pacchetto software LEOBackground, è stata stimata la risposta operativa del rivelatore in un giorno medio di osservazione in orbita LEO (550 km, inclinazione 50°). L’analisi evidenzia che i raggi cosmici primari contribuiscono in modo trascurabile (<1 evento/giorno), mentre la componente dominante è costituita dalle particelle secondarie (albedo atmosferico), con circa 50.000 eventi/giorno per i protoni e 49.000 per gli elettroni. Questi risultati confermano che Zirè è ottimizzato per lo studio delle popolazioni di particelle secondarie, fondamentali per l’indagine dei fenomeni di accoppiamento Magnetosfera-Ionosfera-Litosfera.