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)