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La Fisica delle Particelle studia i costituenti fondamentali della materia e le interazioni fra essi. Si tratta dunque di una disciplina scientifica che fa parte del filone della ricerca pura o “di base”, che ha come obiettivo primario quello dell’avanzamento della conoscenza, in contrasto con la ricerca applicata che invece viene svolta per trovare soluzioni pratiche a problemi specifici.

La ricerca di base necessita di tecnologie avanzate, che spesso non fanno ancora parte del know-how industriale e che necessitano soluzioni innovative. La ricerca di tali soluzioni fornisce continuamente occasioni di trasferimento tecnologico al tessuto sociale ed industriale. La Fisica delle Particelle ha da sempre fatto ricorso a strumentazioni estremamente sofisticate: l’impatto della ricerca condotta al CERN sulla nostra societá é da sempre notevole, basti pensare al World Wide Web, alle tecnologie per la terapia adronica dei tumori, alla Positron Emission Tomography.

Esempi di Impatto Tecnologico da LHC

Innovazione nei pannelli solari

I pannelli solari termici, o collettori solari, assorbono e trasferiscono l’energia solare ad un fluido che circola all’interno del pannello stesso. Per ridurre le dispersioni termiche, si puó fare il vuoto all’interno del volume in cui sono alloggiati i tubi che contengono il fluido: i pannelli che operano sotto vuoto sono molto più efficienti di quelli tradizionali.

Utilizzando le tecnologie per la generazione del vuoto ultra spinto (Ultra High Vacuum) e di pompaggio continuo (NEG) sviluppate per LHC, é stato sviluppato un prototipo di pannello solare sotto vuoto, chiamato Evacuable Flat Panel Solar Collector, di elevatissima efficienza.LHC

Computing Grid

Il Large Hadron Collider produrrá, ad ogni istante, una quantitá di dati superiore a quella generata dall’intera rete di telefonia mobile al mondo, per un totale di 15 Petabytes all’anno…ovvero, 15 milioni di Gigabytes; o ancora, l’equivalente di 200mila DVD; o, se preferite, una pila di CD alta all’incirca quanto 3 volte l’Everest.

Per gestire questa immensa mole di dati, occorre una “nuova internet”, che ha preso il nome di LHC Computing Grid o, più semplicemente, Grid. Grid é une rete di centinaia di migliaia di processori con una struttura a molti livelli: un primo livello é costituito dal Centro di Calcolo del CERN, collegato ad 11 grandi Centri detti Tier-1 (in Italia c’é il CNAF dell’INFN a Bologna). I Tier-1 a loro volta distribuiscono i dati a più di 140 strutture minori, i cosiddetti Tier-2. Infine, l’ultimo livello nella catena di distribuzione é costituito dai computer distribuiti nei vari Dipartimenti di Fisica o dai personal computer delle migliaia di scienziati che analizzeranno questi dati in ogni parte del mondo.

Il concetto di calcolo distribuito che é alla base di Grid é applicabile in campi anche molto diversi dalla fisica. Giá nel 2006, più di 20 applicazioni utilizzavano questa infrastruttura per le discipline più diverse, dalla geologia alle predizioni climatiche all’esplorazione di nuove risorse petrolifere alla ricerca farmaceutica.

Esempi di Impatto Tecnologico da ATLAS

Innovazioni in campo Medico

PIXSCAN

PIXSCAN é una nuova tecnologia di Tomografia computerizzata, che si basa sull’utilizzo di un rivelatore di fotoni (XPAD) derivato da un chip utilizzato in ATLAS. Rispetto alle tecnologie pre-esistenti, PIXSCAN offre un miglioramento notevole nel contrasto per i tessuti molli, ed é in grado di produrre fino a 400 immagini in due secondi.

Un primo prototipo é stato sviluppato per esaminare animali di piccole dimensioni, cosa che richiede una risoluzione spaziale elevatissima. Le prime immagini tomografiche (a destra, l’immagine in 3D dello scheletro di un topo ottenuta tramite PIXSCAN) dimostrano la qualitá di questa nuova tecnologia. Il rivelatore di PIXSCAN é estremamente sottile, e puó essere usato in combinazione con la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET): la PET é in grado di fornire solo la posizione del tessuto tumorale, mentre la tomografia con PIXSCAN mostra l’intero organo.

Multi Picture Element Counters

Gli strati più interni del rivelatore ATLAS sono costituiti da rivelatori a pixel di silicio: questi stessi rivelatori possono essere utilizzati per creare immagini ad alta risoluzione spaziale per applicazioni biomediche, ad esempio mammografie.

I pixel di silicio sono in grado di registrare individualmente il numero di quanti di raggi X assorbito. In questo modo si ottiene un’immagine digitale della dose di raggi X assorbita; l’immagine é visibile in tempo reale, senza bisogno di pellicola. Con una piccola modifica del rivelatore a silicio di ATLAS si é ottenuto un metodo di radiografia digitale.
A sinistra, la radiografia di una vespa ottenuta con questo metodo

Il Progetto Retina

I fisici di ATLAS si sono uniti ai neurobiologi per studiare come l’informazione viene trasmessa dall’occhio al cervello. La retina infatti non é altro che un sofisticato rivelatore biologico a pixel, che converte un’immagine visiva in una serie di segnali elettrici. Tali segnali funzionano secondo un ignoto codice neuronale, attraverso il quale comunicano le caratteristiche dell’immagine alla parte del cervello preposta alla visualizzazione.

Per scoprire le regole di questo codice, gli scienziati studiano del tessuto retinale vivente e registrano l’attivitá neuronale tramite un rivelatore basato sul rivelatore a microstrisce di silicio usato nel tracciatore interno di ATLAS. Questi esperimenti aiutano i neurobiologi a capire come i sistemi neuronali processano e codificano le informazioni, nella speranza un giorno di creare sistemi per ridare una vista artificiale ai non vedenti.
Nell’immagine a destra, la retina di una salamandra connessa al sistema di rivelazione.

Innovazioni in campo Tecnico

Emergency Personnel Location

La Collaborazione ATLAS ha sviluppato un sistema per reperire rapidamente chiunque si trovi nel labirinto dell’apparato sperimentale, in modo da poter intervenire in caso di emergenza. Un grande numero di sensori ad infrarossi installati all’interno della struttura permette ad un operatore nella Sala di Controllo in superficie di seguire ogni movimento delle persone presenti nella caverna di ATLAS.

Il sistema é a bassissimo costo e puó essere installato ovunque; é particolarmente adatto all’uso in ambienti di vaste dimensioni, ad esempio nelle miniere, in cui ritrovare le persone é spesso un arduo compito. Il sistema si rivela un prezioso alleato per una squadra di soccorso specialmente in casi in cui l’ambiente sia invaso dal fumo.
A destra, un’immagine che mostra le enormi dimensioni di ATLAS.

XPIX

XPIX é un rivelatore a raggi X che utilizza il chip XPAD sviluppato per ATLAS. La particolaritá di questo rivelatore é di essere utilizzabile con una nuova generazione di sorgenti di raggi X di alta intensitá, utilizzate per lo studio della struttura di proteine. Un primo prototipo di 6 x 6 cm2 di superficie é utilizzato alla European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble (Francia).

I risultati iniziali mostrano che XPIX é in grado di migliorare in maniera sostanziale la qualitá delle immagini, riducendo al contempo la durata dell’esposizione alla sorgente: in questo modo si riduce notevolmente la distruzione del materiale in analisi causata dalla radiazione.
A sinistra, 8 moduli assemblati in un rivelatore di 6 x 6 cm2.

Analisi dei gas con metodo ad ultrasuoni

Per misurare la quantitá di vapore di fluorocarbonio presente nel sistema di raffreddamento del rivelatore interno di ATLAS, é stata sviluppata una tecnica di analisi basata sugli ultrasuoni. Lo stesso metodo é stato utilizzato per analizzare la miscela di gas durante la produzione di semiconduttori, un processo in cui é necessario tenere sotto controllo la presenza di elementi chimici pesanti.

Il metodo ad ultrasuoni permette di determinare la percentuale di gas presenti nella miscela con una precisione migliore di una parte su 100,000.
La possibilitá di applicare questo metodo in anestesia clinica é stata verificata con successo, consentendo di determinare con la massima precisione la miscela di gas da somministrare al paziente. La medesima tecnica é stata impiegata anche per l’analisi degli idrocarburi prodotti nei processi di raffinazione.

Elaborazione di immagini per uso industriale

ATLAS produrrá un enorme flusso di dati che dovranno essere processati ad elevata velocitá per individuare gli eventi interessanti e registrarli su disco per l’analisi successiva. In uno di questi livelli di processamento estremamente rapidi, ATLAS utilizza 600 schede elettroniche appositamente configurate via software per operare nel modo richiesto. Cambiando la programmazione di queste stesse schede, é possibile utilizzarle per compiti totalmente diversi. Partendo dallo sviluppo di una scheda per ATLAS, la compagnia spin-off Silicon Software GmbH (www.silicon-software.com) é in grado di offrire sistemi in grado di assicurare il processamento di immagini per scopi industriali con elevata performance e basso costo.

Ad esempio, una riprogrammazione di questa scheda é utilizzata per il controllo in tempo reale delle saldature laser nel processo di produzione delle automobili: immagini da 1 Mpixel sono processate a 75 Hz, il che corrisponde ad una velocitá di ispezione di 0.5 m/s.

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