Esempio di un rilevatore di Scintillatore in plastica (a sinistra) e una fase del suo processo di stampa 3D (a destra). Credito:CERN
Gli scintillatori plastici sono uno dei materiali attivi più utilizzati nella fisica delle alte energie. Le loro proprietà consentono di tracciare e distinguere tra topologie di particelle. Tra l'altro, gli scintillatori sono utilizzati nei rivelatori di esperimenti di oscillazione del neutrino, dove ricostruiscono lo stato finale dell'interazione del neutrino. Le misure dei fenomeni di oscillazione vengono effettuate attraverso il confronto delle osservazioni dei neutrini in rivelatori vicini (vicini al bersaglio) e lontani (fino a diverse centinaia di chilometri di distanza).
Il CERN è fortemente coinvolto nell'esperimento T2K, l'attuale esperimento di oscillazione del neutrino leader mondiale, in Giappone, che ha recentemente rilasciato risultati promettenti. Un futuro aggiornamento del rivelatore vicino dell'esperimento aprirà la strada a risultati più precisi. Il nuovo rivelatore comprenderà un rivelatore a scintillatore plastico a base di polistirene da due tonnellate segmentato in 1 x 1 x 1 cm 3 cubi, portando a un totale di circa due milioni di elementi sensibili:più piccoli sono i cubi, più precisi sono i risultati. Questa tecnologia potrebbe essere adottata per altri progetti, come il rilevatore DUNE vicino. Però, misurazioni più precise richiederebbero una granularità più fine, rendendo più difficile l'assemblaggio del rivelatore.
È qui che interviene il gruppo CERN EP-Neutrino, guidato da Albert De Roeck, sviluppo di una nuova tecnica di produzione di scintillatori plastici che prevede la produzione additiva. La ricerca e sviluppo è svolta in collaborazione con l'Istituto per i materiali di scintillazione (ISMA) dell'Accademia nazionale delle scienze dell'Ucraina, che ha una forte esperienza nello sviluppo di materiali scintillatori, e la Haute École d'Ingénierie et Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD), che è esperto nella produzione additiva. L'obiettivo finale è stampare in 3D un "super-cubo, " questo è, un singolo blocco massiccio di scintillatore contenente molti cubi otticamente indipendenti. La stampa 3D risolverebbe il problema dell'assemblaggio dei singoli cubi, che potrebbe così essere prodotto in qualsiasi dimensione, compreso inferiore a 1 cm 3 , e in tempi relativamente brevi (volumi superiori a 20 x 20 x 20 cm 3 può essere prodotto in circa un giorno).
Finora, la collaborazione è stata proficua. Un test preliminare ha fornito la prima prova del concetto:la resa in luce di scintillazione di uno scintillatore a base di polistirene stampato in 3D con modellazione a deposizione fusa è risultata paragonabile a quella di uno scintillatore tradizionale. Ma la strada verso un supercubo pronto all'uso è ancora lunga. Ulteriore ottimizzazione dei parametri dello scintillatore e messa a punto della configurazione della stampante 3D, seguita da una caratterizzazione completa dello scintillatore stampato in 3D, dovrà essere realizzato prima di poter sviluppare il materiale del riflettore di luce per isolare otticamente i cubi.
Questa nuova tecnica potrebbe anche aprire nuove possibilità per il campo del rilevamento delle particelle. Un rivelatore a scintillatore plastico stampato in 3D di successo potrebbe aprire la strada a un uso più ampio di questa tecnologia nella costruzione di rivelatori, che potrebbe scuotere il campo della fisica delle alte energie, così come quello della medicina, dove vengono utilizzati i rivelatori di particelle, ad esempio, nella terapia del cancro. Inoltre, la stampante 3D molto conveniente potrebbe essere replicata abbastanza facilmente e utilizzata in un vasto numero di impostazioni. Umut Kose, dal gruppo EP-neutrino e Neutrino Platform al CERN, spiega:"Il nostro sogno va oltre il supercubo. Ci piace pensare che, in pochi anni, La stampa 3D consentirà agli studenti delle scuole superiori di realizzare i propri sistemi di rilevamento delle radiazioni. Il potenziale di sensibilizzazione di questa tecnologia è sbalorditivo".
Davide Sgalaberna, ora al Politecnico di Zurigo, non può nascondere il suo entusiasmo per questa avventura:"Questa è la prima volta che la stampa 3D può essere utilizzata per veri rivelatori di particelle. Stiamo trasformando la nostra volontà personale in un progetto, e siamo fiduciosi che questo possa portare a una svolta. È emozionante." Questa emozione è condivisa dai colleghi di Davide, che sono più che pronti a riprendere il lavoro sul rilevatore stampato in 3D una volta che l'allentamento del blocco consentirà a tutti di tornare al CERN.
