Atlas, Contributo Italiano, Upgrade
Il progetto ITk per l’Upgrade di ATLAS
Immaginate di costruire un rivelatore di particelle tappezzando il pavimento della vostra camera da letto con i sensori del vostro telefonino. Immaginate di dover scattare foto, con questo rivelatore, seicentomila volte più frequentemente rispetto ai fotogrammi dei film che guardate al cinema. Immaginate che, nella sua vita operativa, questo rivelatore venga sottoposto a radiazioni pari a quelle che trovereste a qualche metro dal nocciolo di un reattore nucleare.
Il rivelatore di tracciatura di ATLAS ITk. All’esterno la parte coperta dai sensori a strip, la parte più interna è coperta dai sensori a pixel
Quello che vedete qui sopra non è il frutto della vostra immaginazione, ma l’Inner Tracker di ATLAS (ITk). Si tratta di un rivelatore in costruzione in questi anni, che entrerà in funzione alla fine dell’attuale periodo di presa dati pluriennale del Large Hadron Collider al CERN di Ginevra. Si tratta di un sistema estremamente complesso, basato interamente su dispositivi a semiconduttore e sarà inserito intorno ai fasci di LHC, nella posizione più interna del rivelatore ATLAS . La prossimità al vertice di interazione, combinata con le 200 interazioni realizzate in media ad ogni intersezione dei fasci di LHC, rende necessario realizzare questo tracciatore con dei rivelatori che permettano un’elevata granularità per poter distinguere il passaggio di una particella dall’altra. Si prevede che passeranno fino a 50 particelle ogni secondo per ogni centimetro quadrato negli strati più interni del rivelatore .
Simulazione di un evento di collisione protone-protone all’interno del tracciatore ITk di ATLAS
Per poter misurare con accuratezza i processi di fisica a LHC e testare quindi con sempre maggiore precisione il Modello Standard e trovare eventuali discrepanze sperimentali, ATLAS deve raggiungere delle prestazioni mai raggiunte prima. In particolare il rivelatore di tracciatura ITk deve misurare in modo estremamente preciso – con una risoluzione dell’ordine della decina di micron, praticamente lo spessore di un vostro capello – la posizione di una particella carica proveniente dalle collisioni realizzate dal Large Hadron Collider. Il rivelatore ITk è anche il primo rivelatore che le particelle provenienti dalle collisioni protone-protone incontrano sulla loro strada; la misura effettuata da ITk, deve quindi perturbare il meno possibile queste particelle per non deteriorare troppo le misure effettuate dai sottorivelatori posti più lontani sul cammino di queste particelle (calorimetri e rivelatori a muoni).
I dispositivi a semiconduttore utilizzati in ITk includono sensori a pixel e sensori a strip. I primi, sono costruiti da una lastra sottile di silicio sulla quale sono realizzati dei pixel con un reticolo di 50 micron in modo tale da creare delle giunzioni p-n sensibili al passaggio di particelle cariche. Si tratta di una misura di posizione bidimensionale. Nei sensori a strip, invece, sono realizzate delle strutture a strisce che misurano quindi il punto di passaggio di una particella in una sola direzione. Questi moduli sono organizzati in strutture concentriche intorno ai fasci di interazione. Contiamo 9 strati concentrici di rivelatori a pixel e strip, il primo posto a 33 mm e l’ultimo ad 1 metro dai fasci di LHC. La superficie totale che i moduli a pixel devono coprire è di circa 16 metri quadrati, mentre quella che devono coprire i moduli a strip è di 160 metri quadrati, per un totale di oltre 5 miliardi di canali di lettura, moltiplicando di un fattore di oltre 60 il numero di canali di elettronica presenti nel rivelatore odierno. Considerando il gran numero di componenti, i sensori sono prodotti con tecnologie avanzate in diverse aziende in giro per il mondo, tra le quali spiccano FBK a Trento e la multinazionale Leonardo.
Oltre a provvedere alla costruzione dei sensori, la collaborazione italiana ha un ruolo chiave nel progetto: verrà costruito interamente in Italia uno dei due pixel endcap che verrà alloggiato all’interno di un cilindro di diametro poco più di 70 cm e lungo oltre tre metri. I due endcap insieme alla parte centrale (barrel) compongono il rivelatore a pixel. Diversi istituti italiani contribuiscono all’impresa: Bologna, Genova, Lecce, Milano, Napoli, Trento, Udine ed i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN. Ognuno di questi istituti è responsabile di una fase della costruzione, test e commissioning del rivelatore: i moduli sono assemblati a Genova a Milano, testati a Bologna, Trento e Udine, sono poi montati su delle corone circolari (half-ring) a Lecce e Genova per poi venire inseriti nel rivelatore finale nei Laboratori Nazionali di Frascati utilizzando delle strutture meccaniche realizzate a Napoli. L’endcap così costruito verrà quindi trasportato al CERN per essere integrato con le altre parti del rivelatore ITk provenienti da altre parti del mondo. Il rivelatore ITk sarà a quel punto inserito nel rivelatore ATLAS all’inizio del Run4.
La costruzione di ITk sta impegnando già da diversi anni fisici, ingegneri e tecnici nelle varie sezioni dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che lavorano in stretta collaborazione con i colleghi di altre istituzioni scientifiche in varie parti del mondo. Vengono risolte giorno per giorno le innumerevoli sfide che vengono poste dalla costruzione di uno dei più complicati rivelatori che compongono ATLAS. Le tecnologie di punta impiegate sfruttano le conoscenze più avanzate in diversi campi come elettronica, meccanica, informatica, scienza dei materiali etc. con lo scopo di spingere sempre oltre le frontiere della conoscenza delle forze fondamentali che governano il nostro universo.
Qualche riferimento (in inglese):
Technical Data Report ITk Pixel CERN-LHCC-2017-21
Technical Data Report ITk Strips CERN-LHCC-2017-005
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