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An innovative Cylindrical Gas Electron Multiplier Inner Tracker for the BESIII Spectrometer

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Pionieristico sistema di rilevamento delle particelle porta a tecniche di visualizzazione high tech e tecnologie di cloud computing

Applicazioni all’avanguardia in fisica, immaginografia medica e in altri settori dipendono dal rilevamento delle particelle e dall’estrazione dei dati e i processi di analisi associati. Ricercatori finanziati dall’UE hanno ampliato le frontiere del settore, rendendo allo stesso tempo più facilmente accessibili gli sviluppi alle organizzazioni più piccole.

Ricerca di base

Acceleratori e rilevatori di particelle ci hanno aiutato a comprendere la natura sostanziale dell’Universo. Il collisore di elettroni e positroni di Pechino BEPCII che ospita lo spettrometro di Pechino BESIII e il suo rivelatore IT è tra gli esperimenti in corso nel campo della fisica delle particelle. Dopo oltre un decennio di servizio, l’IT del BESIII necessita di un potenziamento. Intrapreso con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, il progetto BESIIICGEM, finanziato dall’UE, intendeva sviluppare una soluzione. Un potenziale ostacolo genera un’innovazione ancora più grande BESIIICGEM si è concentrato sullo sviluppo di un rivelatore CGEM-IT (Cylindrical Gas Electron Multiplier Inner Tracker) per BESIII. Alle frontiere del rilevamento delle particelle, vi era solo un CGEM-IT funzionante al tempo che operava in un campo magnetico da 0,5 Tesla. Come spiega il prof. Marco Maggiora, coordinatore del progetto, «La realizzazione del pionieristico prototipo ha portato a una scoperta sconcertante. La tecnologia GEM non era utile per i campi magnetici grandi (oltre 0,5 T). Si è trattato di un duro colpo, potenzialmente un ostacolo insormontabile. In sostanza, il CGEM-IT sarebbe stato inutile». Invece di fermare tutto, la scoperta ha portato a una completa riprogettazione del piano e del calendario del progetto, ritardandolo di due anni e facilitando al contempo significative innovazioni che hanno mostrato in modo fortuito un enorme valore in modi inattesi. Rilevamento versatile delle particelle e tecnologie di sfruttamento dei dati I grandi campi magnetici interrompono la simmetria spaziale della «valanga» di particelle nei rivelatori GEM, riducendo la loro risoluzione. BESIIICGEM ha sviluppato un CGEM-IT composto da tre strati di tripli GEM di forma cilindrica che fungono da singoli rivelatori TPC (Time Projection Chamber, e innovativi componenti elettronici su misura FEE (front-end electronics) per leggere i loro segnali. Leggere un GEM come un TPC, sfruttando accurate informazioni temporali provenienti dai FEE, consente una ricostruzione molto precisa della traiettoria delle particelle, persino in grandi campi magnetici. La chiave per trovare questa soluzione era quindi la lettura dei dati. Il team ha sviluppato il TIGER (Turin Integrated Gem Electronics for Readout), un circuito integrato su misura specifico per l’applicazione (ASIC) che rappresenta il nucleo dei FEE e uno degli sviluppi più significativi del progetto. BESIIICGEM sta esaminando l’uso del TIGER per la lettura di altri tipi di rivelatori e sensori per applicazioni spaziali e mediche, ma non solo. Le applicazioni mediche si sono sviluppate a un ritmo sorprendente. Come pianificato, i partner hanno messo in campo tecniche di calcolo avanzate per affrontare la considerevole quantità di dati. Condividere la ricchezza Le tecniche alla base della lettura TPC di rivelatori GEM sono state ampiamente diffuse e adottate in altri scenari sperimentali. Il TIGER è uno sviluppo ad alto valore aggiunto, e BESIIICGEM lo sta rendendo disponibile ad altre collaborazioni a una tariffa relativamente bassa che copre i costi sostenuti durante l’uso. Per rendere le tecniche di calcolo high-tech accessibili alle organizzazioni più piccole, che non dispongono del personale e delle competenze nel cloud computing, gli scienziati hanno sviluppato semplici strumenti «automatici» per diffondere e gestire infrastrutture (micro-)cloud. Distribuiti su dispositivi USB, gli strumenti sono già stati adottati da diverse collaborazioni accademiche e potrebbero presto migliorare la competitività delle piccole e medie imprese (PMI). Il consorzio, con l’aggiunta di nuovi partner, ha fatto domanda con successo per un’altra borsa di studio al fine di mantenere lo slancio acquisito. Ci si aspetta di vedere i risultati di BESIIICGEM ben oltre il campo della fisica delle particelle, in applicazioni ad ampio raggio, dall’immaginografia medica alla difesa nazionale.

Parole chiave

BESIIICGEM, CGEM-IT (Cylindrical Gas Electron Multiplier), rilevamento, rilevamento delle particelle, campo magnetico, calcolo, spettrometro di Pechino BESIII, cloud, lettura, TIGER, ASIC, fisica, immaginografia medica

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