Rivelatori di particelle a LHC. Quarta parte: solenoidi e tracciatori.

Come promesso alla fine della puntata precedente, quella in cui vi ho spiegato a grandi linee il funzionamento di un tracciatore centrale, vorrei mostrarvi come sono fatti questi rivelatori (e i loro rispettivi campi magnetici) in ATLAS, in CMS, e in ALICE. Dei tracciatori per muoni, che in fondo sono basati sugli stessi principi ma vengono tradizionalmente chiamati "spettrometri", parleremo in un articolo a parte in seguito. Ho pensato di menzionare anche ALICE, insieme ai due esperimenti maggiori, perché il suo sistema di tracciamento è basato su principi un po' diversi da quelli usati da ATLAS e CMS, e su una tecnologia più vecchia che ha pregi (la capacità di riconoscere molte tracce allo stesso tempo) e difetti (tempi di reazione più lenti).

Cominciamo dai campi magnetici. In tutti i rivelatori di cui parliamo oggi, il campo magnetico usato per curvare le particelle cariche (e misurarne così il momento attraverso la curvatura) è generato da un solenoide. Un solenoide è una bobina di forma cilindrica, formata da spire circolari ravvicinate: qualcuno di voi da bambino ha mai costruito un'elettrocalamita, avvolgendo un filo di rame intorno a un bullone, e collegandolo a una batteria? In sostanza si tratta dello stesso oggetto, replicato in scala più grande, con correnti elettriche molto maggiori (migliaia di Ampere), e spire fatte di materiale superconduttore (e dunque tenute al fresco, tipicamente nell'elio liquido).

Le linee del campo magnetico generato sono parallele alla direzione dei fasci, e i tracciatori degli esperimenti vi sono immersi. ATLAS ha un solenoide che genera un campo di 2 Tesla, ospitato nel criostato che contiene il calorimetro elettromagnetico, il rivelatore che solitamente occupa lo strato esterno al tracciatore, e di cui parleremo nelle prossime puntate. Le linee del campo del solenoide di ATLAS si chiudono subito dietro alle spire in cui fluisce la corrente, e dunque prima del calorimetro. Questo permette di evitare che il calorimetro stesso sia immerso nel campo magnetico (bene), ma aumenta la quantità di materiale passivo (nel senso che viene attraversata dalle particelle, ma che non misura nulla) che lo separa dal tracciatore (male, e vedremo perché nelle prossime puntate). Il solenoide di CMS, che da il nome a tutto l'esperimento (Compact Muon Solenoid) genera invece un campo di 4 Tesla, ed è piazzato dopo il calorimetro elettromagnetico.Il calorimentro di CMS sente dunque il campo magnetico (male, e vedremo perché tra due puntate), ma in compenso ha meno materiale passivo che lo separa dal tracciatore (bene). Grazie alla sua posizione, le linee di campo del solenoide di CMS si richiudono direttamete sullo spettromentro a muoni, cosa che permette a CMS di avere un solo campo magnetico per due dei suoi sotto-rivelatori, e in sostanza di essere più piccolo ("compact"!). ATLAS ha invece un secondo campo magnetico per lo spettrometro a muoni, di cui parleremo in seguito. ALICE usa un grande solenoide che circonda tutto il rivelatore (dunque non solo il tracciatore, ma anche gli altri sottorivelatori), solenoide riciclato da L3 - uno dei rivelatori di LEP - che genera un campo di 0.5 Tesla (ALICE usa anche due dipoli per generare un'altra parte dei suoi campi magnetici, sui quali sorvoliamo).

Tutti questi campi magnetici, in particolare quello di CMS, ma anche i dipoli di ALICE e quelli di LHCb di cui non vi parlerò, possono influenzare in modo importante le orbite dei fasci, che sono a loro volta composti da particelle cariche. Questo impone ai macchinisti di LHC di correggere la direzione dei fasci in prossimità dei rivelatori, per mantenere le orbitestabili quando gli esperimenti hanno i magneti accessi.

Veniamo dunque ai tracciatori. Come vi ho spiegato, la soluzione più diffusa negli esperimenti odierni consiste nel piazzare una serie di rivelatori segmentati in tanti piccole piastrelline sensibili, che si "accendano" se attraversate da una particella carica. La tecnologia più utilizzata è simile a quella dei sensori delle macchine fotografiche digitali: delle superfici di silicio, tagliuzzate in pixel che danno un segnale al passaggio di una particella carica. Siccome segmentare un piastra di silicio in pixel di piccole dimensioni e complesso e costa caro (esattamente come per le macchine fotografiche!), mano a mano che ci si sposta dal punto di interazione, per risparmiare - e complicarsi meno la vita con il numero di canali - la segmentazione diventa spesso meno fine, e a volte i pixel quadrati vengono sostituiti da striscioline di silicio più grandi. CMS ha un tracciatore i cui strati, con suddivisioni più o meno fini, sono tutti basati sul silicio.

ATLAS ha fatto una scelta diversa: se le prime due serie di strati del tracciatore (pixel e SCT, SiliCon Tracker, un rivelatore le cui tegoline sono delle piccole strisce) sono anch'esse basate sul silicio, il segmento più esterno è invece fomato da una serie di tubicini riempiti di gas, delle specie di tubi al neon al contrario, che producono un segnale elettrico al passaggio di una particella (questo pezzo di tracciatore si chiama TRT, Transition Radiation Tracker). A differenza dei rivelatori al silicio, che danno un'informazione solo digitale (acceso o spento, particella passata oppure no), questi tubi aggiungono un'informazione sul tipo di particella che è passata, grazie alla diversa modalità di interazione con il gas nei tubi. Questo permette di discriminare, per esempio, un elettrone da un pione carico, a prescindere dalla curvatura della traccia misurata.

ALICE invece non misura le tracce delle particelle cariche prodotte nelle collisioni con una serie di tegoline sensibili come fanno ATLAS e CMS, ma con un rivelatore chiamato Time Projection Chamber, ovvero Camera a Proiezione Temporale. Si tratta di una camera cilindrica riempira di un gas, e soggetta a un campo elettrico lungo la direzioni dei fasci.

Le particelle cariche prodotte nelle collisioni ionizzano il gas, ovvero strappano alcuni elettroni dai suoi atomi, lasciandosi dietro una scia di cariche elettriche. Questi elettroni, sotto l'azione del campo elettrico trasversale (quello indicato con una E e una frecciatina bianca nella figura), migrano verso i bordi del cilindro, sui cui "tappi" sono piazzati dei sensori (nella figura, le readout chamber - camere di lettura - montate sulla struttura verde) che ne percepiscono l'arrivo. In base alla misura di posizione fatta dai sensori sui "tappi" del cilindro è possibile ricostruire la projezione trasversale delle tracce; misurando invece l'istante in cui i sensori si accendono (e conoscendo la velocità di deriva degli elettroni nel gas nel cilindro) si può ricostruire la terza dimensione spaziale delle tracce. Questo tipo di rivelatore è molto più preciso di quelli al silicio, e permette di misurare molte più tracce di quelli basati sulle tegoline:

D'altra parte, è anche più lento: il cilindro resta riempito di cariche dovute alle tracce delle collisioni precedenti, e, nel caso di collisioni a ritmo sostenuto, va incontro a fenomeni di saturazione. Le diverse scelte di ALICE, e di ATLAS e CMS sono dunque dovute ai diversi obiettivi di fisica degli esperimenti: se ad ALICE interessano le collisioni di ioni pesanti, che avvengono ritmi più blandi ma producono moltissime tracce (come potete vedere nella figura lì sopra), ATLAS e CMS puntano a raccogliere dati in collisioni protone-protone, che producono (relativamente) meno tracce, ma molto più frequentemente.

E con questo, abbiamo terminato la (brevissima e assolutamente non esaustiva) panoramica sui tracciatori centrali. Adesso dovreste sapere come si fa a risalire a carica e momento delle particelle cariche. Ma non tutte le particelle sono cariche (e dunque ci servirà anche un modo per misurare posizione ed energia delle particelle neutre, come il fotone o il neutrone), e non in tutte le condizioni i tracciatori centrali sono sufficientemente precisi (se il momento di una particela carica è troppo grande, la curvatura della sua traccia nel campo magnetico centrale sarà minima, e la misura del momento da parte del tracciatore molto imprecisa). Per ovviare a questi due problemi, i tracciatori sono seguiti dai calorimetri, dispositivi specializzati nella misura dell'energia delle particelle tramite una strategia infallibile: il loro completo assorbimento! Ne parliamo nelle prossime puntate.

(continua)

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10 Commenti

  1. Giovanni
    Pubblicato il 17 febbraio 2012 alle 11:18 | Permalink

    Ciao Marco e grazie per queste perle. Ti volevo fare alcune domande. Il circuito ad Elio liquido è collegato con quello dei magneti o è separato? Anche in questi solenoidi sono possibili quench e possono essere gestiti più facilmente?
    I rivelatori in silicio a causa delle continue interazioni con le particelle sono soggette a degrado ed è quindi prevista una loro manutenzione?
    Grazie e a presto.

  2. francesco
    Pubblicato il 17 febbraio 2012 alle 17:37 | Permalink

    Caro Marco ancora grazie per i tuoi articoli, dovremmo pagarti....

  3. Pubblicato il 17 febbraio 2012 alle 17:46 | Permalink

    @Giovanni: non sono sicuro di capire la prima domanda: l'elio liquido deve raffreddare le bobine dei magneti superconduttori, che vi sono appunto immerse. Quanto al resto: si, anche questi solenoidi in linea di principio potrebbero quenchare come i magneti di LHC, ma la probabilità è infinitamente più bassa, perché, a meno che il fascio impazzisca e cambi drasticamente direzione, vengono attraversati da particelle a ben più bassa energia. E si, i tracciatori al silicio invecchiano e "bruciano" a forza di stare a così vicini alla zone di interazione. ATLAS nel 2013 prevede di inserire uno strato nuovo, ma fino al 2018 il tracciatore attuale dovrebbe funzionare, poi molto probabilmente lo cambieremo. Non conosco i dettagli dei progetti di upgrade di CMS, ma credo che faranno qualcosa di simile anche loro.

  4. Mattia
    Pubblicato il 17 febbraio 2012 alle 20:18 | Permalink

    Mentre se non mi sbaglio LHCb non ha una struttra cilindrica, dovrebbe essere "piano", perchè? è una questione di pixel-listelle-tubicini?!?

    Quando parli di strati piazzati "dopo" o "prima" di qualcosa d'altro intendi dire come distanza dal centro e quindi un "dopo" in senso verticale (tipo una cipolla) o in senso orizzontale ?

    Comunque sono fantastici questi articoletti!

    Grande marco e grazie!

  5. Fabiano
    Pubblicato il 17 febbraio 2012 alle 21:47 | Permalink

    Marco, potresti accennare brevemente al tipo di informazione fornita dal singolo tubo del TRT? È qualcosa tipo la differenza tra un impulso stretto e uno più stondato, o magari un dente di sega? O forse è semplicemente un livello?

  6. delo
    Pubblicato il 18 febbraio 2012 alle 22:01 | Permalink

    @Mattia
    Marco ha descritto la parte centrale dei tracciatori che e' detta Barrel (si', come una botte. Il rivelatore e' una botte il cui asse coincide con la linea dei fasci)
    I "tappi" sono chaiamti EndCap.
    LHCb non ha questa forma, ma e' un forward detector, cioe' e' come se fosse un grosso EndCap quindi tutti i rivelatori stanno in piani ortogonali alla linea del fascio.
    Il campo magnetico e' dipolare (e non solenoidale) ma il tracciatore di LHCb ha comunque caratteristiche analoghe a quelli di ATLAS/CMS.
    Un rivetore di vertice che sta molto vicino al fascio composta da strip di silicio. Delle stazioni traccianti, alcune completamente fatte di silicio ed altre che, nella parte piu' vicino alla linea del fascio sono anch'esse di silicio mentre, quelle piu' esterne usano le straw tube che sono analoghe al TRT di ATLAS.
    Ci sarebbero molte altre differenze ma non credo che sia il caso

    delo

  7. Pubblicato il 21 febbraio 2012 alle 16:11 | Permalink

    @Fabiano: quando una particella passa per i tubicini del TRT, che sono riempiti di Xenon, o meglio, di una miscela di gas a base di Xenon, si produce della radiazione di transizione, che è un'emissione legata al passaggio di una particella che si muove con velocità relativistiche tra due mezzi con indice di rifrazione diverso. Siccome le caratteristiche di questa radiazione dipendono dal fattore relativistico \gamma della particella, a parità di momento due particelle con massa diversa (per esempio un elettrone e un pione) genereranno una radiazione di transizione diversa. Il sistema ha due soglie, e dunque oltre a rivelare il passaggio segnala un'accensione di soglia alta o bassa. Una certa quantità di soglie di alto livello nel TRT è correlata con un certo tipo di particella, da cui il potere discriminante.

  8. roberto
    Pubblicato il 22 febbraio 2012 alle 23:23 | Permalink

    Marco buonasera,
    dalle ultime notizie pare che i neutrini superluminali siano un clamoroso errore:

    http://www.repubblica.it/scienze/2012/02/22/news/neutrini_pi_veloci_della_luce_c_era_anomalia_in_strumenti-30349960/

    domande:

    -come spieghi la superficialità con cui si sono comunicati risultati poi rivelatisi clamorosamenti falsi?

    -visto che l'esperimento OPERA era seguito da un team italiano,
    pensi che possa avere ripercussioni sulla credibilità della ricerca italiana?

  9. bob
    Pubblicato il 23 febbraio 2012 alle 08:34 | Permalink

    http://www.corriere.it/scienze_e_tecnologie/12_febbraio_22/neutrino-anomalia-strumenti_a3ade0b4-5d92-11e1-8d58-29f34aaed5a4.shtml

    Così come tutti i giornali hanno gridato al miracolo, adesso sono tutti pronti a "buttare a mare" i ricercatori....

  10. Pubblicato il 23 febbraio 2012 alle 09:41 | Permalink

    @Roberto e @Bob: lo so, lo so, e in più il rumor circolava nei corridoi da almeno una settimana. Ma, come sapete, non commento mai le indiscrezioni, per cui per rispondere alle domande (lecite, specie la prima sullo stile della comunicazione dei risultati) aspetto che esca il comunicato stampa ufficiale del CERN, che è atteso per oggi, va bene? Ah, per la cronaca: OPERA è una collaborazione internazionale, con dentro molti italiani ma non solo. E Autiero, quello che a settembre tenne il seminario al CERN, lavora per il CNRS francese come me, mentre Ereditato, il portavoce, lavora per l'università di Berna.

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché.

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