Due nuovi rivelatori per la nuova era di ATLAS
Novembre 2021, Ginevra. L’esperimento ATLAS al CERN dà il benvenuto ad un rivelatore per muoni nuovo di zecca: le due New Small Wheel (NSW), in italiano “Nuove Ruote Piccole”. L’installazione, effettuata con successo, è il coronamento di quasi dieci anni di duro lavoro (tra progettazione e costruzione) e segna un’importante pietra miliare per l’esperimento ATLAS verso l’era ad alta luminosità del Large Hadron Collider (HL-LHC).
L’aggiornamento ad alta luminosità del Large Hadron Collider aumenterà notevolmente il tasso di collisioni nell’esperimento ATLAS. Aumentare la luminosità, ovvero la quantità di collisioni, è allo stesso tempo un’opportunità, che permette di esplorare alcuni dei processi più rari nell’Universo, e una sfida, a causa dei livelli di radiazione più elevati. La collaborazione ATLAS sta per questo adattando il suo esperimento per affrontare questa sfida, aggiornando tutte le parti dei suoi rilevatori con nuovi strumenti all’avanguardia.
“Le New Small Wheel sono i primi nuovi rilevatori di ATLAS progettati specificamente per gestire condizioni di alta luminosità”, afferma Andreas Hoecker, portavoce di ATLAS. “L’installazione della seconda – ed ultima – NSW segue quasi un decennio di sforzi dedicati da parte dei membri di ATLAS, che hanno progettato, costruito e assemblato da zero questa strumentazione ad alta tecnologia. Questi nuovi rivelatori per muoni amplieranno in modo significativo le capacità del nostro esperimento, preparandoci per l’entusiasmante futuro ad alta luminosità”.
Tecnologia all’avanguardia
Il sistema delle NSW di ATLAS è composto da due rivelatori a forma di ruota, posti alle estremità opposte della caverna sperimentale. Ogni NSW pesa più di 100 tonnellate ed ha un diametro di quasi 10 metri. Tuttavia, esse vengono definite “Small” in virtù del confronto con i rilevatori “Big Wheel” di ATLAS da 25 metri di diametro.
Ma più che sulle dimensioni, vogliamo concentrarci sulla loro funzione. I rivelatori di cui è composta la New Small Wheel sono all’avanguardia in quanto utilizzano due tecnologie innovative nell’ambito dei rivelatori gassosi: Micro Megas (MM) e small Thin Gap Chamber (sTGC). Queste tecnologie permettono all’esperimento di tracciare i muoni rapidamente e con precisione, ma soprattutto di poterlo fare in regimi caratterizzati da alti flussi di particelle come quello atteso per HL-LHC.
“La combinazione di queste tecnologie ci consentirà di studiare le particelle agli alti flussi attesi dall’HL-LHC, migliorando anche la nostra risoluzione spaziale”, afferma Mario Antonelli, NSW Upgrade Project Leader. “Sarà particolarmente critico per il “trigger”, ovvero il sistema che decide quali eventi di collisione mantenere e quali scartare. La decisione si baserà sull’eccellente risoluzione delle NSW per confermare se una particella ha avuto origine dal punto di collisione, riducendo così le nostre possibilità di salvare dati inutili provenienti da eventi di fondo indesiderati”.
Le capacità di lettura dell’intero sistema sono sbalorditive: 2’000’000 di canali di lettura per le MM e 350’000 canali di lettura per le sTGC. Ogni ruota si compone di 16 settori, ciascuno dei quali contiene due strati di camere MM e sTGC con quattro piani di misurazione ciascuno, fornendo ai fisici molti punti, ridondanti, utili a ricostruire la traccia di un muone attraverso i rivelatori.
La danza dei rivelatori
Il trasferimento dei rilevatori NSW nella caverna sperimentale non è stato il primo viaggio che hanno effettuato! “Lo sforzo per costruire le NSW è stato globale, con membri di tutta la collaborazione internazionale ATLAS che hanno contribuito alla progettazione e alla costruzione”, afferma Philipp Fleischmann, leader del progetto ATLAS Muon System. “I singoli componenti sono stati realizzati ed assemblati per comporre le “camere” MM ed sTGC negli istituti di ricerca di nove Paesi diversi: Canada, Cile, Cina, Francia, Germania, Grecia, Israele, Italia e Russia. Le camere sono state quindi spedite al CERN, dove sono state sottoposte a controlli accurati prima di essere assemblate in “spicchi” trapezoidali e montate sulle ruote”. In totale, i ricercatori hanno installato sulle ruote 128 camere MM e 192 camere sTGC.
La prima ruota completamente assemblata, NSW “A”, è stata completata a Maggio 2021. I ricercatori di ATLAS hanno immediatamente avviato i lavori per portare il rilevatore “A” sottoterra, mentre in superficie continuava a ritmo sostenuto il lavoro sulla seconda ruota. Il lavoro è proseguito a ritmo serrato in quanto il completamento dell’installazione delle nuove ruote è strettamente legato alla programmazione dei lavori sul rivelatore ATLAS e, più in generale, alla tabella di marcia di LHC.
In attesa, dietro le quinte, c’erano le Small Wheel originali, che sono state rimosse dalla caverna sperimentale di ATLAS per far posto alle NSW. Dopo un decennio di eccellente servizio all’esperimento, le due Small Wheel originali sono state ufficialmente ritirate il 2 Luglio e il 12 Ottobre e trasferite nell’edificio 191 del CERN.
Il 6 Luglio, la NSW “A” è stata guidata dall’edificio 191 al padiglione di superficie di ATLAS – un viaggio lungo 2 chilometri che è durato diverse ore. Il 12 Luglio, la ruota “A” è stata calata nella caverna sperimentale di ATLAS e spostata nella sua posizione finale tra il criostato calorimetrico e i magneti toroidali. Pochi mesi dopo, la procedura è stata ripetuta per la NSW “C”: la costruzione è stata ultimata a Settembre, ed il trasporto effettuato il 14 Ottobre. La ruota “C” è rimasta in attesa in superficie per due settimane, mentre LHC ha effettuato alcuni test con fasci di protoni. Infine, il 4 Novembre, anche la NSW “C” è stata calata nella caverna.
“Quando abbiamo deciso di completare i rilevatori NSW in tempo per la fase 3 della presa dati di LHC (Run 3, a partire dal prossimo anno), sapevamo che sarebbe stato un compito difficile”, afferma Ludovico Pontecorvo, coordinatore tecnico di ATLAS. “Il fatto che il team sia riuscito a completare il progetto nei tempi prestabiliti, nonostante una pandemia globale e la tragica perdita del loro capo progetto, Stephanie Zimmermann, è una testimonianza dell’incredibile talento e dedizione dei nostri ricercatori”.
Nuove ruote in movimento
I rivelatori NSW saranno fondamentali per l’acquisizione dei dati del Run 3, poiché è già previsto un moderato aumento della luminosità delle collisioni. In attesa di vedere le nuove ruote in azione, la collaborazione ATLAS si concentra sui prossimi importanti aggiornamenti dell’esperimento. “Il prossimo periodo di stop dell’acceleratore LHC (Long Shutdown 3, previsto per il 2025) sarà l’ultimo periodo di pausa prima che HL-LHC entri in funzione”, afferma Francesco Lanni, coordinatore dell’Upgrade dei rivelatori di ATLAS. “Abbiamo molto da realizzare negli anni a venire, compresa la costruzione e l’assemblaggio di un intero nuovo sistema di tracciamento interno. Ma con ogni nuovo aggiornamento, ci avviciniamo di un passo al prossimo capitolo della fisica di LHC e alle eccitanti scoperte che ci attendono”.
Tradotto dal testo originale di Katarina Anthony, “Detectors for a new era of ATLAS physics”, Copyright ATLAS Experiment.
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