Moldear las tecnologías de detección para los experimentos del mañana
El proyecto AIDAinnova(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, es un esfuerzo de colaboración en el que participan las principales instalaciones de investigación e instituciones académicas de Europa, que trabajan juntas para ampliar los límites de la tecnología de los detectores de partículas. Con la participación de quince países y la CERN, el equipo del proyecto se basó en los logros de una iniciativa anterior, AIDA-2020. Además de seguir perfeccionando los detectores para el Gran Colisionador de Hadrones y otros colisionadores, en AIDAinnova se abordaron retos futuros, como el desarrollo de instrumentación avanzada para una posible fábrica de Higgs(se abrirá en una nueva ventana) como la recientemente recomendada FCC-ee, la contribución a la investigación sobre neutrinos y el refuerzo del compromiso con la industria. «Hemos innovado en tecnologías de detectores, incluidos detectores monolíticos e híbridos de píxeles, calorimétricos, gaseosos y criogénicos, así como en la electrónica, la mecánica y el "software" necesarios para los experimentos de física de partículas de próxima generación», señala Paolo Giacomelli, coordinador del proyecto.
Sensores avanzados que superan los límites de tolerancia a la radiación
Una de las actividades de investigación consistió en determinar si un nuevo tipo de sensor, los sensores monolíticos de píxel activo empobrecido (DMAPS, por sus siglas en inglés), que rastrea las trayectorias de las partículas creadas durante las colisiones de alta energía podría cumplir los estrictos requisitos de rendimiento de los futuros detectores de rastreo de los colisionadores. La atención se centró en su capacidad para soportar radiaciones intensas y ofrecer una alta resolución espacial. Mediante tecnología CMOS avanzada, el equipo construyó y mejoró prototipos DMAPS de paso reducido. En las pruebas se demostró una excelente eficacia de detección, una resolución espacial precisa y un rendimiento estable bajo niveles de radiación extremos (superiores a 10^15 neq/cm2). Este avance supera los anteriores límites de tolerancia a la radiación, lo que convierte a los DMAPS en firmes candidatos para futuros sistemas de seguimiento. Se sigue trabajando en la ampliación, optimización e integración de estos sensores en sistemas más amplios.
Sensores de seguimiento de alta precisión tanto en el espacio como en el tiempo
Otra actividad del equipo del proyecto fue el desarrollo de sensores de píxel activo que combinan una resolución espacial extremadamente precisa (unos pocos micrómetros) con una resolución temporal ultrarrápida (decenas de picosegundos), niveles de precisión esenciales para reconstruir con exactitud las trayectorias de las partículas. Estos sensores se combinan con la electrónica de lectura en detectores híbridos, que manejan las señales del sensor de alta resistividad que detecta las partículas. Los investigadores trabajaron en detectores híbridos, ya que estos detectores son en este momento la única tecnología que puede ofrecer estos niveles de precisión. El equipo utilizó diodos de avalancha de baja ganancia (LGAD, por sus siglas en inglés) (presentes en los sensores de alta resistividad) para amplificar las señales de las partículas y mejoró las estructuras de píxeles en 3D para aumentar la precisión de la temporización. Además, se desarrollaron nuevos métodos de interconexión entre los LGAD y los sensores de píxel activo, como películas conductoras anisotrópicas, pastas y unión de oblea a oblea.
Tecnología sostenible de detección de gases
Otro de los objetivos principales era desarrollar mezclas de gases ecológicas para los futuros detectores de gases, con el fin de sustituir a los actuales, que dañan el medio ambiente debido a su alto potencial de calentamiento o a sus componentes fluorados. El equipo también colaboró con la industria para desarrollar un nuevo tipo de microdetector de gases (MPGD, por sus siglas en inglés). «Esto marca un hito importante en la transferencia de tecnología del mundo académico a la industria y tiene implicaciones de gran alcance: los futuros detectores de gas a gran escala, compuestos por mosaicos de MPGD similares, podrían ser fabricados directamente por la industria. La tecnología también podría adaptarse a otros campos, como la seguridad nacional y la sanidad», señala Giacomelli.
Ampliar los límites del rendimiento de los detectores
En AIDAInnova también se centraron en ideas de alto riesgo para remodelar la tecnología de los detectores, haciendo hincapié en la validación experimental temprana por encima de las mejoras incrementales. Un éxito fue el desarrollo de sensores LGAD avanzados que mantuvieron un rendimiento estable bajo niveles de radiación extremos (hasta 5×10^15 neq/cm2), lo que amplía las capacidades de cronometraje de precisión a niveles de radiación que antes se consideraban inaccesibles para los sensores de silicio basados en ganancia. «Otro logro fue la creación de un sistema de lectura inalámbrico de alta velocidad que utiliza enlaces de 60 GHz y permite la transmisión de datos multigigabit con baja latencia y rendimiento estable. Estos avances superan la tecnología actual y ahora se están perfeccionando para futuros sistemas detectores», concluye Giacomelli.
