Atlas, Atlas Rivelatore, Contributo Italiano
Il calorimetro elettromagnetico ad argon liquido (LAr)
In ATLAS il calorimetro elettromagnetico ad argon liquido ha il compito principale di identificare elettroni e fotoni e di misurarne l’energia e la direzione. Assieme al calorimetro adronico “Tile” contribuisce anche a misurare energia e direzione dei getti adronici.
Una particella incidente il calorimetro provoca uno sciame di elettroni e fotoni (sciame elettromagnetico) con energie via via sempre piu’ basse che alla fine possono essere misurate. A differenza di quanto il nome sembra implicare, “calorimetro”, non si effettua una misura di calore o di temperatura ma la misura dei segnali elettrici prodotti dagli elettroni che attraversano il materiale del calorimetro (ionizzazione). In questo calorimetro il compito di creare lo sciame e quello di rivelare il segnale elettrico viene svolto da due materiali diversi che si alternano in strati regolari (calorimetro a campionamento). Nel primo caso (in genere chiamato materiale passivo o assorbitore) viene usato piombo (o rame e tungsteno/rame in alcune parti) ed argon liquido (materiale attivo) nel secondo caso. A temperatura ambiente l’argon e’ un gas e per utilizzarlo in forma liquida e’ necessario portarlo a bassa temperatura (circa –185 ◦C, nel nostro caso).
Per far cio’ l’intero calorimetro e’ contenuto in un criostato cioe’ un grosso contenitore che puo’ essere raffreddato per mantenere il suo contenuto a temperatura bassa e costante. In realta’ per ragioni tecniche e geometriche, il calorimetro e’ contenuto in tre diversi criostati. Il primo criostato contiene quella che viene defnita la parte “barrel” (barile) del calorimetro, un grosso cilindro centrato intorno al punto di interazione dei fasci di LHC in ATLAS. Altri due criostati sono situati da un lato e dall’altro delle basi del criostato barrel e contengono quelli che vengono chiamati calorimetri “end-cap” (tappo) che completano il piu’ possibile la copertura in angolo solido del calorimetro.
Il contributo italiano alla costruzione del calorimetro
Il gruppo di Milano ha contributo al calorimetro elettromagnetico ad argon liquido di ATLAS fin dalle prime fasi della sua ideazione e successiva costruzione.
Il cuore del calorimetro elettromagnetico ad argon liquido e’ costituito dagli elettrodi di lettura. Gli elettrodi sono dei grandi circuiti stampati multistrato flessibili di rame e kapton, che hanno il compito di distribuire l’alta tensione nello strato di argon liquido tra elettrodo e assorbitore e di raccogliere la carica di ionizzazione. La costruzione degli elettrodi ha richiesto una complessa attivita’ di ricerca e sviluppo a causa delle loro grandi dimensioni: fino a circa due metri quadrati rispetto alle poche decine di centimetri quadrati dei circuiti generalmente costruiti dalle industrie. Inoltre gli elettrodi sono stati successivamente piegati per assumere una forma a “fisarmonica”. Il gruppo di Milano ha dato un contributo fondamentale alla progettazione degli elettrodi, sin dai test dei primi prototipi (test di laboratorio e test con fasci di prova) e ha seguito la fase di industrializzazione e della produzione di serie (circa 5000 elettrodi per la parte barrel e end-cap del calorimetro elettromagnetico). Inoltre ha costruito macchine di test (utilizzate sia nell’industria costruttrice che nei nostri laboratori) per verificare che gli elettrodi prodotti soddisfacessero le stringenti richieste necessarie per essere installati nei moduli del calorimetro (tolleranze geometriche e proprieta’ elettriche).
Il gruppo di Milano ha inoltre partecipato fin dalle prime fasi al programma di ricerca e sviluppo per la realizzazione dei preamplificatori, circuiti elettronici che hanno il compito di fornire la prima amplificazione al piccolo segnale elettrico rilasciato da una particella nelle celle del calorimetro; perche’ esso possa poi essere elaborato, digitalizzato e trasferito alle fasi successive della catena di acquisizione. Circa 100,000 preamplificatori (la meta’ di tutti i preamplificatori neccessari al funzionamento del calorimetro elettromagnetico) sono stati costruiti e provati (con procedure ed apparecchiature da noi sviluppate) da una ditta italiana, sotto la supervisione del gruppo di Milano. Ulteriori test per il controllo di qualita’ della produzione sono stati effettuati nei nostri laboratori.
Oltre che da rivelatori sensibili al passaggio di una particella come descritto precedentemente, i calorimetri sono inevitabilmente costituiti anche da una fitta rete di cavi, tubi e strutture di servizio che trasportano i segnali, le alimentazioni, e l’acqua di raffreddamento per l’elettronica. La progettazione della rete di servizi e’ particolarmente complessa a causa dell’ambiente ostile (radiazioni, presenza di campo magnetico, poco spazio disponibile) e deve essere particolarmente affidabile data l’impossibilita’ ad accedere alle parti interne del rivelatore durante la fase di presa dati. Il gruppo di Milano ha progettato e realizzato i servizi per i due calorimetri end-cap e li ha successivamente installati in ATLAS.
Completata la costruzione e messa in funzione del calorimetro, il gruppo di Milano ha contribuito alla messa in funzione e alla gestione del sistema di alta tensione che fornisce e controlla le alimentazioni necessarie alle circa 5000 linee necessarie al funzionamento del calorimetro. Si tratta di un sistema complesso di controllo, per il quale il gruppo ha sviluppato il software, che partendo da programmi e standard di tipo industriale risponde alle esigenze tipiche di un esperimento di fisica (accensione, spegnimento, gestione delle condizione di errore, etc…). Gli strumenti sviluppati sono stati integrati nel piu’ generale sistema DCS (Detector Control System) di ATLAS. Essi garantiscono l’operativita’ quotidiana del calorimetro durante la presa dati dalla control room dell’esperimento, gestendo situazioni anomale e permettendo un tempestivo intervento.
Gli upgrade del calorimetro
Terminata la costruzione e l’istallazione il calorimetro e’ stato messo in funzione in ATLAS a partire dal 2006. Il calorimetro e’ stato progettato per funzionare senza alcun cambiamento fino alla fine della vita di ATLAS (circa 2038). E difatti fino ad oggi (2023) i criostati non sono stati mai svuotati, riscaldati e aperti per una eventuale manutenzione del calorimetro; sono sempre rimasti chiusi alla temperatura di funzionamento del calorimetro! Un caso non molto frequente per i rivelatori usati nel nostro campo di ricerca dove la manutenzione e l’upgrade di un rivelatore nel corso degli anni e’ quasi sempre la norma. Questo conferma la bonta’ del progetto e della sua realizzazione.
Quanto appena detto non e’ vero per la elettronica di lettura del calorimetro (elettronica di “front-end”), cioe’ l’elettronica situata in prossimita’ del detector (che nel nostro caso e’ contenuta in cassette, “crate”, montati sulle pareti dei criostati) che effettua un primo processamento dei segnali elettrici e invia i dati ad elettronica fuori dalla caverna sperimentale (elettronica off detector) per un ulteriore processamento. L’attuale elettronica nel corso degli anni e’ diventata obsoleta ed e’ di sempre piu’ difficile riparabilita’ e non reggera’ la dose di radiazioni attesa fino alla fine della vita di ATLAS. Inoltre per reggere l’incremento di luminosita’ previsto nei prossimi anni, ATLAS utilizzera’ un nuovo sistema di “trigger” e di acquisione dati che e’ incompatibile con la attuale elettronica del calorimetro (sia quella di front-end che quella off detector).
E’ stato deciso un upgrade di tutta l’elettronica del calorimetro e si e’ deciso di effettuare questa complessa operazione in due fasi. In una prima fase (Fase I) e’ stata sostituita l’elettronica di trigger per aumentarne la granularita’ (cioe’ ridurre la dimensione delle celle usate per il trigger) in maniera da poter avere una migliore discriminazione veloce tra gli eventi interessanti (da registrare su disco e nastro) e quelli appartenti ad eventi di fondo.
Una parte della nuova scheda di trigger e’ stata realizzata dal gruppo di Milano cosi’ come anche una parte (baseplane) del crate dove queste schede vengono istallate e messe in comunicazione col resto del sistema.
Le schede sono state tutte installate nel rivelatore e dal 2022, inizio del Run 3 di LHC, stanno prendendo correttamente dati.
Per il successivo upgrade (Fase II), con inizio della presa dati previsto nel 2029, e’ prevista la sostituzione di tutta l’elettronica di front-end e off-detector del calorimetro. Anche questo progetto vede il coinvolgimento del gruppo di Milano che sta progettando la parte di alimentazione del front-end del calorimetro
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