Sviluppo di rivelatori per gli esperimenti di domani
Il progetto AIDAinnova(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, è un lavoro collaborativo che coinvolge le principali strutture di ricerca e istituzioni accademiche europee, che lavorano insieme per superare i limiti della tecnologia dei rivelatori di particelle. Il progetto, che vede la partecipazione di 15 Paesi e del CERN, si è basato sui risultati di una precedente iniziativa, AIDA-2020. AIDAinnova continua a perfezionare i rivelatori per il Large Hadron Collider e altri acceleratori mentre affronta le sfide future, come lo sviluppo di strumentazione avanzata per un potenziale fabbrica di Higgs(si apre in una nuova finestra) come l’FCC-ee, oggetto di recenti raccomandazioni, contribuendo alla ricerca sui neutrini e rafforzando il coinvolgimento con l’industria. «Abbiamo innovato le tecnologie dei rivelatori, compresi i rivelatori monolitici e ibridi a pixel, calorimetrici, gassosi e criogenici, nonché l’elettronica, la meccanica e i software necessari per gli esperimenti di fisica delle particelle di prossima generazione», osserva il coordinatore del progetto Paolo Giacomelli.
Sensori avanzati che superano i limiti di tolleranza alle radiazioni
Una delle attività di ricerca del progetto è servita a determinare se un nuovo tipo di sensore, quello monolitico a pixel attivi svuotati (DMAPS, Depleted Monolithic Active-Pixel Sensors), che traccia i percorsi delle particelle creati durante le collisioni ad alta energia, potesse soddisfare i requisiti di prestazione severi dei futuri rivelatori di tracciamento degli acceleratori. In particolare, ha studiato la loro capacità di gestire radiazioni intense e di fornire una risoluzione spaziale elevata. Usando la tecnologia CMOS avanzata, l’équipe ha costruito e migliorato prototipi DMAPS a passo ridotto. I test hanno dimostrato un’efficienza di rilevamento eccellente, una risoluzione spaziale precisa e prestazioni stabili in presenza di livelli di radiazione estremi (superiori a 10^15 neq/cm2). Questa scoperta supera i limiti di tolleranza alle radiazioni del passato e fa di DMAPS un ottimo candidato per i sistemi di tracciamento futuri. Attualmente il team è ancora al lavoro per scalare, ottimizzare e integrare questi sensori in sistemi più grandi.
Sensori di tracciamento ad alta precisione sia nello spazio che nel tempo
Un’altra attività del progetto è stata lo sviluppo di sensori a pixel attivi che combinano una risoluzione spaziale estremamente precisa (pochi micrometri) con una risoluzione temporale ultraveloce (decine di picosecondi), livelli di precisione essenziali per ricostruire accuratamente le traiettorie delle particelle. Questi sensori sono combinati con l’elettronica di lettura nei rivelatori ibridi, i quali gestiscono i segnali del sensore ad alta resistività che rileva le particelle. L’équipe di ricerca ha lavorato su rivelatori ibridi, poiché attualmente sono l’unica tecnologia in grado di fornire questi livelli di precisione. Ha inoltre migliorato i diodi a valanga a basso guadagno (LGAD, Low-Gain Avalanche Diodes) (presenti nei sensori ad alta resistività) per amplificare i segnali delle particelle e ha migliorato le strutture dei pixel 3D per aumentare la precisione dei tempi. Inoltre, sono stati sviluppati nuovi metodi di interconnessione tra LGAD e sensori a pixel attivi, come pellicole conduttive anisotrope, paste e incollaggio wafer-to-wafer.
Tecnologia sostenibile per i rivelatori di gas
Grande attenzione è stata rivolta allo sviluppo di miscele di gas ecologiche per i futuri rilevatori di gas, in sostituzione di quelle attuali che danneggiano l’ambiente a causa dell’elevato potenziale di riscaldamento o dei componenti fluorurati. L’équipe ha anche collaborato con l’industria per sviluppare un nuovo tipo di rivelatori gassosi a micropattern (MPGD, Micro-Pattern Gas Detector). «Questo traguardo è una pietra miliare nel trasferimento della tecnologia dal mondo accademico all’industria e ha implicazioni di vasta portata: i futuri rilevatori di gas su larga scala, composti da mosaici di MPGD simili, potrebbero essere prodotti direttamente dall’industria. Questa tecnologia potrebbe essere adattata anche ad altri settori, come la sicurezza interna e la sanità», osserva Giacomelli.
Ampliare i limiti delle prestazioni dei rivelatori
AIDAinnova si è anche concentrato su idee ad alto rischio per trasformare le tecnologie dei rivelatori, enfatizzando la convalida sperimentale precoce rispetto ai miglioramenti incrementali. Un traguardo di successo è stato lo sviluppo di sensori LGAD avanzati che hanno mantenuto prestazioni stabili a livelli di radiazione estremi (fino a 5×10^15 neq/cm2), estendendo le capacità di cronometraggio di precisione a livelli di radiazione precedentemente ritenuti inaccessibili per i sensori al silicio basati sul guadagno. «Un altro risultato è stata la creazione di un sistema di lettura wireless ad alta velocità che usa connessioni a 60 GHz, consentendo la trasmissione di dati multi-gigabit con bassa latenza e prestazioni stabili. Questi progressi superano i limiti della tecnologia attuale, e ora li stiamo sviluppando ulteriormente per i futuri sistemi di rivelazione», conclude Giacomelli.
