Per il rivelatore LHCb al Large Hadron Collider, il secondo lungo arresto in corso (LS2) del complesso dell'acceleratore del CERN sarà un periodo di metamorfosi. Dopo due esecuzioni di raccolta dati riuscite, il rivelatore è in fase di aggiornamento per migliorare la precisione delle sue misurazioni fisiche, molti dei quali sono i migliori al mondo. Ci saranno quindi cinque volte più collisioni ogni volta che i gruppi di protoni si incrociano all'interno del rivelatore dopo LS2 e la collaborazione di LHCb prevede di aumentare la velocità di lettura dei dati da 1 megaHertz alla frequenza massima di interazione di LHC di 40 megaHertz (o ogni 25 nanosecondi).

Oltre a sostituire quasi tutta l'elettronica e i sistemi di acquisizione dati per far fronte all'enorme aumento della produzione dati, LHCb sta sostituendo i suoi rilevatori di tracciamento con altri nuovi, come l'inseguitore di fibre scintillanti, o fantascienza. È la prima volta che un tracker così grande, con una piccola granularità e un'elevata risoluzione spaziale, è stato realizzato utilizzando questa tecnologia. La fantascienza sarà posizionata dietro il magnete dipolo di LHCb.

Fibre scintillanti, Come suggerisce il nome, sono fibre ottiche, a base di polistirene, in questo caso, che emettono decine di fotoni nella lunghezza d'onda blu-verde quando una particella interagisce con loro. Al polistirene sono stati aggiunti coloranti scintillatori secondari per amplificare la luce e spostarla a lunghezze d'onda più lunghe in modo che possa raggiungere fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) su misura che convertono la luce ottica in segnali elettrici. La tecnologia è stata ben testata in altri esperimenti di fisica delle alte energie. Le fibre stesse sono leggere, possono produrre e trasmettere luce all'interno della finestra di 25 nanosecondi e sono adeguatamente tolleranti alle radiazioni ionizzanti previste in futuro.

Ogni fibra scintillante che compone il sottorivelatore ha un diametro di 0,25 mm e una lunghezza di quasi 2,5 m. Le fibre saranno impacchettate in moduli che risiederanno in tre stazioni all'interno di LHCb, ciascuno composto da quattro cosiddetti "piani di rilevamento", con i fotomoltiplicatori situati nella parte superiore e inferiore di ciascun piano. "Le fibre sono state accuratamente esaminate, avvolto in nastri multistrato, assemblati in moduli rivelatori e accuratamente testati, " spiega Blake Leverington, che sta coordinando parte del progetto SciFi per LHCb. "Le fibre forniscono una precisione a colpo singolo migliore di 100 micron e l'efficienza a colpo singolo sull'area del rivelatore è migliore del 99%". In totale, oltre 10.000 km di fibre scintillanti realizzate con precisione adorneranno LHCb.

A differenza degli altri rilevatori di LHC, LHCb ha un design asimmetrico e studia le particelle che volano molto vicino al tubo del fascio dopo essere state prodotte in collisioni protone-protone. Però, l'utilizzo di un rivelatore sensibile così vicino al tubo del fascio porta i suoi problemi. Le simulazioni mostrano che il danno da radiazioni dei detriti di collisione oscurerebbe le fibre più vicine al tubo del fascio fino al 40% durante la vita di LHCb. Ciò renderebbe più difficile la trasmissione della luce prodotta attraverso le fibre, ma ci si aspetta che il rivelatore rimanga efficiente nonostante ciò.

I fotomoltiplicatori situati nella parte superiore e inferiore di ciascun piano di rilevamento SciFi saranno bombardati da neutroni prodotti nei calorimetri che si trovano più a valle. Il danno da radiazioni provoca il cosiddetto "rumore scuro", dove gli elettroni termicamente eccitati fanno sì che i SiPM producano un segnale che imita il segnale proveniente dai singoli fotoni. Oltre alla schermatura posta tra la SciFi e i calorimetri, è stato sviluppato un complesso sistema di raffreddamento per raffreddare i SiPM. "Le misurazioni hanno dimostrato che il tasso di rumore oscuro può essere ridotto di un fattore due per ogni calo di temperatura di 10 gradi Celsius, " sottolinea Leverington. I SiPM sono stati montati su speciali barre fredde in titanio stampate in 3D che vengono raffreddate a -40 gradi Celsius.

"Il progetto ha avuto il contributo di più di cento scienziati, studenti, ingegneri e tecnici di 17 istituti partner in 10 paesi, " dice Leverington. "Abbiamo lavorato insieme per sette anni per dare vita alla fantascienza." Attualmente, i moduli SciFi, i servizi e l'elettronica vengono assemblati e installati nei 12 telai meccanici nella sala di montaggio presso il sito LHCb al punto 8 dell'anello LHC. I primi componenti SciFi dovrebbero essere installati nella primavera del prossimo anno.