Innovative applications of strong crystalline field effects to particle accelerators and detectors

È ben noto che le interazioni elettromagnetiche tra le particelle ad alta energia e la materia allo stato solido subiscono modifiche sostanziali quando quest'ultima è cristallina ed i suoi assi reticolari sono pressoché paralleli alla direzione del fascio incidente. In particolare, sia il bremsstrahlung (da parte di elettroni e positroni) sia la produzione di coppie (da parte di fotoni) sono incrementati in cristalli orientati ad alto Z e alta densità, a causa delle interazioni coerenti delle particelle alla scala del GeV o superiore con gli assi del reticolo cristallino. L'interesse nell'osservazione sperimentale di questi incrementi è cresciuto significativamente negli ultimi anni. Lo scopo è duplice: caratterizzare appieno questi effetti coerenti al fine di ampliare la conoscenza sulle interazioni tra particelle e materia e sfruttarli nello sviluppo di hardware di prossima generazione per la fisica ad alte energie. Il lavoro presentato in questa tesi approfondisce diversi studi sperimentali riguardanti le interazioni di elettroni e fotoni ad alta energia con il cosiddetto strong field reticolare di cristalli orientati di tungsteno (W) e tungstato di piombo (PWO), che sono alla base di tre applicazioni di particolare interesse: una sorgente di positroni ottimizzata per i futuri collider leptonici (ad esempio, FCC-ee), un convertitore di fotoni ad alta efficienza per la linea di fascio di kaoni neutri dell'esperimento HIKE del CERN e un calorimetro elettromagnetico omogeneo, ultra-compatto e ad alte prestazioni per esperimenti a geometria forward agli acceleratori e rivelatori di raggi gamma su satellite.

It is well known that the electromagnetic interactions between high-energy particles and solid matter undergo substantial modifications when the latter is crystalline and its lattice axes are almost parallel to the incident beam direction. In particular, a strong enhancement to both bremsstrahlung (by electrons and positrons) and pair production (by photons) occurs in high-Z, high-density oriented crystals, owing to the coherent interactions of multi-GeV particles with the crystalline lattice axes. The interest in the experimental investigation of this enhancement has grown stronger in recent years. The focus is twofold: to fully characterise these coherent effects in order to widen the knowledge of the interactions between particles and matter, and to exploit them in the development of next-generation tools for high-energy physics. The work presented in this thesis delves into several experimental studies regarding the interactions of high-energy electrons and photons with the strong lattice field of oriented tungsten (W) and lead tungstate (PWO) crystals, which serve as the cornerstone of the design of three applications of paramount interest: an optimised positron source for the future lepton collider (e.g., the FCC-ee), a high-efficiency photon converter for the neutral kaon beamline of the HIKE experiment at the CERN SPS and an ultra-compact, high-performance homogeneous electromagnetic calorimeter for forward-geometry accelerator-based experiments and space-borne gamma-ray telescopes.