Lo scienziato posiziona con cura i sensori nella stazione della sonda e li testa applicando un'alta tensione usando un ago. La squadra deve indossare dispositivi di protezione per proteggere il sensore da polvere e graffi. Credito:Ulysse Fichet/CERN
In uno speciale, senza polvere, laboratorio pulito, a cavallo del confine franco-svizzero, un gruppo di fisici passa il tempo a sondare esagoni di silicio delle dimensioni di una mano. Questi esagoni hanno uno spessore di una frazione di millimetro e sono composti da oltre cento esagoni più piccoli, sensori individuali di circa un centimetro di diametro. Insieme a strati di metallo, i sensori formeranno un nuovo sottorivelatore per sostituire parte dei calorimetri terminali nell'esperimento CMS del CERN.
Un calorimetro misura l'energia che una particella perde al suo passaggio. Di solito è progettato per arrestarsi completamente o "assorbire" la maggior parte delle particelle provenienti da una collisione. I nuovi sensori calorimetrici verranno utilizzati per misurare l'energia e il tempo di arrivo e per tracciare il percorso delle singole particelle che volano via sotto forma di detriti dal punto di collisione al centro dell'esperimento. Una volta sul posto, questa sarà la prima volta che questo tipo di sensore al silicio sarà mai utilizzato nel calorimetro di un rivelatore di particelle su una scala così ampia.
I sensori fanno parte di un progetto di aggiornamento più ampio per garantire che gli esperimenti siano in grado di far fronte a un numero maggiore di collisioni di particelle a seguito dell'aggiornamento LHC ad alta luminosità (HL-LHC) nel 2025, e l'aumento del potenziale di scoperta che ne deriva. La tecnologia attuale si basa su lunghi, cristalli di piombo-tungstato trasparenti progettati per far fronte alla radiazione nei rivelatori Sebbene funzioneranno bene per l'era LHC, fino al 2025, la quantità di radiazione prevista durante HL-LHC oscurerà i cristalli fino a renderli ciechi alle particelle che li attraversano.
Eva Sicking lavora alla stazione sonda. Spiega:"Attualmente utilizziamo aghi sonda individuali per contattare la cellula che vogliamo testare e tutti i suoi diretti vicini, ma stiamo anche sviluppando una scheda sonda con molti pin sottostanti in modo da poter abbassare la scheda e collegare tutti i pin e testare tutte le celle dei sensori in una volta sola, quindi non avremo bisogno di posizionare ciascuno degli otto aghi individualmente.”. Credito:Ulysse Fichet/CERN
"I cristalli di piombo-tungstato che usiamo ora sono progettati per funzionare a tassi di collisione relativamente bassi e in un ambiente a basse radiazioni. Con l'HL-LHC, avremo centinaia di collisioni contemporaneamente, quindi avevamo bisogno di qualcosa che potesse resistere all'aumento delle radiazioni e risolvere gli sciami di particelle molto vicine tra loro nello spazio e nel tempo, " spiega Eva Sicking, il fisico applicato che guida questo progetto di sensori al silicio. "Vogliamo essere in grado di distinguere le diverse particelle che vediamo, e anche sapere quali sono venuti da quali collisioni."
"Questi sensori non solo forniscono un sistema più resistente alle radiazioni; allo stesso tempo forniscono anche maggiori informazioni su dove sono passate esattamente le particelle. Ci forniscono anche ottime informazioni sui tempi, quindi possiamo determinare esattamente quando questa particella è arrivata, e grazie alle piccole celle può farlo per molte collisioni contemporaneamente, "continua Andreas Maier, che sta anche lavorando al progetto.
Panini di metallo
I sensori costituiscono la parte centrale del nuovo sottorivelatore, che sostituirà l'attuale end-cap di CMS, nella foto. Credito:David Barney/CERN
Per assicurarsi che i sensori siano in grado di farlo, invece di lunghi cristalli, il team si sta allontanando dai lunghi cristalli e costruisce invece dei sandwich - strati del sensore che si alternano a strati di un metallo pesante, come il piombo.
Per testare ogni sensore nel sandwich, il team sta utilizzando una stazione sonda speciale, con otto aghi seduti sopra una piastra sottovuoto. Il piatto contiene il delicato, e costoso, sensori in silicone saldamente in posizione in modo che gli aghi possano essere manovrati e abbassati per connettersi con i cuscinetti di contatto contrassegnati su ciascun sensore. Quindi applicano un'alta tensione al sensore per registrare i dati che verranno utilizzati per valutare la qualità del sensore.
Un team di ricercatori CMS ha già testato il primo prototipo di calorimetro sandwich con particelle singole, ma nel potenziato HL-LHC si verificheranno collisioni multiple di particelle contemporaneamente e centinaia di particelle di detriti passeranno attraverso i sensori allo stesso tempo. Il prototipo è basato su silicio e metalli densi:l'immagine mostra gli strati alternati di metallo e il sensore di silicio. Il raggio di particelle scorrerà da sinistra dell'immagine fino a destra. Credito:David Barney/CERN
Strumenti sensibili dicono al team qual è la corrente elettrica generata nel sensore, così come una misura chiamata capacità. Se uno di questi viene eseguito al di sopra di un livello impostato, il sensore non può essere utilizzato, poiché creerà rumore che interferisce con i dati da qualsiasi traccia di particelle. Se il rumore è troppo alto, i ricercatori possono valutare se c'è un problema a livello di produzione. Se viene rilevato un problema, tornano dai produttori per assicurarsi che sia risolto prima che i sensori reali entrino in produzione. Tutti i sensori eventualmente utilizzati passeranno attraverso questo processo, sia al CERN che in altri istituti.
Ottimizzazione della potenza
La misurazione della corrente è particolarmente importante perché può avere un impatto su quanta potenza ed energia sono richieste quando la macchina è in funzione.
"In un mondo ideale, il sensore non mostrerebbe alcuna corrente di dispersione, ma in realtà, le impurità vengono introdotte durante la produzione di questi sensori. Perciò, la corrente che misuriamo è un indicatore della qualità della produzione, " Florian Pitti, un altro membro del gruppo, spiega.
Il software mostra la corrente che attraversa ciascun sensore, e la tessera composta da più sensori più piccoli è mostrata in basso a destra. Credito:Andreas Maier/CERN
La corrente di dispersione è accettabile al di sotto di un certo livello, ma viene amplificato quando si aggiungono più sensori insieme e il sistema di alimentazione e raffreddamento deve gestire una maggiore quantità di potenza e calore dissipato.
Se c'è qualche problema nei sensori finali, potrebbe causare un cortocircuito dell'intera piastrella, rendendolo inutile. Quindi questi test sono fondamentali per garantire che l'intero sistema di rilevamento funzioni al meglio e che questi componenti non creino ostacoli alla scoperta futura.
"Ci sono stati errori con cose che le persone semplicemente non potevano sapere, finché non li abbiamo testati. Abbiamo scoperto alcune volte che le strade che intendevamo percorrere dovevano essere abbandonate, quindi abbiamo scelto una nuova strada. Così va la ricerca, "dice Andrea.
