Potresti aver osservato passeggeri di aerei accompagnati da animali domestici o persino strumenti musicali sui voli. Ma sei mai stato seduto accanto a un rilevatore di particelle?

Da più di un anno, un piccolo team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha lavorato per assemblare, test, e pezzi del rivelatore di trasporto per un aggiornamento della schiera di rivelatori ALICE (A Large Ion Collider Experiment) presso il laboratorio del CERN in Europa.

I pannelli di rilevamento viaggiano come "passeggeri"

La soluzione del team di Berkeley Lab per garantire che ciascuno di questi assemblati con cura, pezzi delicati vanno dal punto A al punto B intatti:trattateli come compagni di viaggio.

ALICE, un esperimento di fisica nucleare, è progettato per far collidere ioni piombo ad alta energia tra loro e con protoni per esplorare uno stato esotico di materia supercalda noto come plasma di quark-gluoni che si pensa sia esistito nell'universo primordiale.

Berkeley Lab è uno dei cinque siti in tutto il mondo che sta costruendo pannelli di rilevamento (chiamati "staves") per il progetto di aggiornamento, che migliorerà le prestazioni del sistema di tracciamento interno del rivelatore ALICE, inclusa la sua risoluzione per scattare istantanee di collisioni di particelle, la sua durata, e velocità di raccolta dati.

I ricercatori di fisica nucleare del Berkeley Lab, a turno, trasportano quattro lunghi righi alla volta in un contenitore trasparente su misura dotato di tracolla. Una volta caricato, il contenitore lungo un metro pesa circa 25 libbre. Le doghe sono impilate con sequenze di chip di silicio e relativi circuiti e componenti di potenza.

Ogni pentagramma di cui è responsabile il team di Berkeley Lab ha otto moduli sensore, e ogni modulo è dotato di 14 sensori, per un totale di 112 sensori per doga.

Questo posto è occupato

"Abbiamo finito per acquistare posti sui voli commerciali per loro perché non esiste un altro modo affidabile per portarli lì, " disse Leo Greiner, uno scienziato dello staff della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab che guida il team che lavora sui componenti di aggiornamento del rivelatore ALICE.

Il team aveva utilizzato modelli meccanici dei moduli del rilevatore per vedere come avrebbero resistito nella stiva di un aereo, e non se la sono cavata bene:le unità erano visibilmente danneggiate, con alcune parti che si staccano.

"Era abbastanza chiaro che il trasporto non potesse avvenire nel modo in cui avevamo inizialmente previsto, " ha detto Greiner. Così ha studiato il modo migliore per portare le doghe all'interno della cabina, un ambiente più protetto. Le regole per l'acquisto di un posto per le doghe sono simili a quelle per i costosi strumenti musicali che i musicisti vogliono portare a mano sull'aereo , Egli ha detto.

Il chiaro, La custodia per il trasporto costruita da Berkeley Lab è progettata per facilitare le ispezioni di sicurezza aeroportuali, e le scansioni a raggi X negli aeroporti non sono un problema poiché i componenti del rivelatore sono progettati per resistere a radiazioni molto più intense.

Una volta a bordo dell'aereo, i ricercatori richiedono un'estensione della cintura di sicurezza per allacciare in sicurezza la custodia per il trasporto nel sedile adiacente. La loro rotta abituale è volare a Newark o Washington, DC, dalla Baia di San Francisco, e poi per la coincidenza con un volo internazionale per Ginevra, Svizzera. Il viaggio di andata e ritorno prevede solitamente due giorni interi di viaggio e due giorni al CERN per verificare eventuali danni ai componenti.

I membri del team di Berkeley Lab hanno completato circa 14 di questi viaggi nell'ultimo anno, con l'ultimo viaggio previsto per metà ottobre.

La divulgazione scientifica è diventata facile

Gli insoliti bagagli a mano sono piuttosto un inizio di conversazione, ha detto Greiner.

"È l'attività di sensibilizzazione più fantastica che abbia mai fatto, " ha detto. "Tutti hanno domande."

Nikki Apadula, uno scienziato del progetto nella divisione di scienze nucleari e un membro del team ALICE che ha partecipato alle escursioni del rivelatore, disse, "Ho trascorso un intero viaggio a Newark usando lo schienale del sedile per spiegare cosa fanno le particelle nel rivelatore".

Apadula ha detto che i contenitori da viaggio alti possono essere ingombranti a volte. "Il fatto che queste cose siano lunghe un metro, è semplicemente imbarazzante. È alto quasi quanto me."

Altri membri del team di aggiornamento del rilevatore ALICE del Berkeley Lab, compresi gli assistenti di ricerca Erica Zhang e Winston DeGraw, che entrambi hanno iniziato a lavorare al progetto come studenti universitari, sono stati i viaggiatori più assidui nei viaggi del rivelatore.

Assemblare le doghe

Il team del Berkeley Lab sta contribuendo con 60 righi rivelatori per gli strati intermedi del rivelatore a canna esterna aggiornato di ALICE, il più grande contributo di un laboratorio statunitense.

Il rivelatore completato avrà sette strati concentrici che conterranno un totale di 24, 000 sensori al silicio per il rilevamento delle interazioni tra particelle. L'installazione è prevista per marzo 2020, e sarà operativo all'inizio del 2021.

L'assemblaggio del rivelatore al Berkeley Lab è stato condotto in una camera bianca con pareti in plastica appositamente costruita. I ricercatori hanno misurato e incollato con cura otto moduli rilevatori a ciascun pentagramma, con una precisione tipicamente misurata in decine di micron, o decine di milionesimi di metro.

Le doghe sono dotate di tubi che consentono all'acqua fredda di circolare lungo la loro lunghezza e prevengono il surriscaldamento, e tutti i materiali, fino alla colla che fissa i moduli del rilevatore, devono essere testati per garantire che possano resistere all'ambiente del rilevatore.

Ogni doga presenta un supporto in fibra di carbonio a forma di cuneo lungo la sua lunghezza, e componenti elettrici in alluminio anziché in rame per fornire una migliore risoluzione di tracciamento per catturare le interazioni delle particelle resistendo alla raffica di radiazioni prodotte nelle collisioni di particelle. Nelle prime fasi del progetto, il team del Berkeley Lab ha utilizzato potenti fasci di particelle cariche presso il ciclotrone da 88 pollici del Berkeley Lab per testare la durata dei materiali del rivelatore, ha notato Greiner.

Design del rivelatore di nuova generazione

I rilevatori dell'aggiornamento si basano su una tecnologia di rilevatore di pixel monolitico:una generazione precedente di questo tipo di rilevatore è stata utilizzata per il rilevatore STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory. Berkeley Lab ha particolare competenza in questo tipo di rivelatore, Greiner ha notato, e ha contribuito alla prima ricerca e sviluppo.

I rilevatori di aggiornamento ALICE sono progettati per una maggiore durata, può elaborare segnali circa 10 volte più velocemente rispetto ai rilevatori precedenti, e hanno una dimensione dei singoli pixel di circa 30 micron. La risoluzione migliorata consentirà ai ricercatori di differenziare meglio le particelle prodotte nelle collisioni iniziali dei nuclei di piombo da quelle che si diramano dai decadimenti delle particelle che seguono queste interazioni iniziali.

"La tecnologia è davvero maturata, " Greiner ha detto. "Possono prendere i dati più rapidamente, non morire così velocemente, e dissipare meno potenza."

Altri siti di assemblaggio per i nuovi rilevatori sono in Cina, Inghilterra, Francia, Italia, Paesi Bassi, e Corea. La collaborazione ALICE conta circa 1, 500 scienziati di oltre 100 istituti di fisica in 30 nazioni. La partecipazione del Berkeley Lab ad ALICE è supportata dall'Ufficio di fisica nucleare del DOE degli Stati Uniti.