Il Tracciatore

“…Traiettorie impercettibili, Codici di geometria esistenziale…“
– “Gli Uccelli”, F. Battiato

L’impulso delle particelle è cruciale per permetterci di ricostruire in dettaglio gli eventi creati dalle collisioni protone-protone. Un metodo per calcolare l’impulso di una particella carica è quella di tracciarla all’interno di un campo magnetico; più curvata è la traccia, minore è l’impulso della particella.

Il tracciatore di CMS ricostruisce le traiettorie delle particelle misurando le loro posizioni in vari punti. Il tracciatore può ricostruire le traiettorie di muoni, elettroni e adroni (particelle composte di quarks) di alta energia.

Può inoltre “vedere” tracce di particelle prodotte dai decadimenti di particelle a breve vita media come il quark b. Il tracciatore deve registrare con precisione le traiettorie di particelle, ma deve anche “disturbare” il loro passaggio il meno possibile.

Ossia deve essere “leggero” in modo da non perturbare il passaggio delle particelle. Questo si ottiene compiendo poche registrazioni estremamente accurate sulla traiettoria di una particella. La precisione di ogni singola misura è di 10 µm, una frazione dello spessore di un capello umano.

Rivelatore a Pixel

Il rivelatore a pixel, anche se ha le dimensioni di una scatola di scarpe, contiene 65 milioni di pixels, che gli permettono di ricostruire le tracce di particelle cariche prodotte dalle collisioni protone-protone con estrema accuratezza.

Questo è il rivelatore più vicino al vertice di collisione, con strati cilindrici posti a 4 cm,7 cm e 11 cm dal

tubo a vuoto del fascio e due dischi ad ogni estremità, e sarà cruciale per ricostruire le tracce di particelle a brevissima vita media. Tuttavia, essendo così vicino al fascio significa anche che il numero di particelle che attraversano questo rivelatore è enorme.

La frequenza di particelle ricevute a 8 cm dal tubo a vuoto è di circa 10 milioni di particelle per centimetro quadrato al secondo. Il rivelatore a pixel deve essere in grado di ricostruire tutte le tracce di queste particelle, e sostenere questo “bombardamento” per almeno dieci anni di durata dell’esperimento.

Ogni strato è diviso in segmenti come piccole mattonelle, ognuna con un piccolo sensore al silicio, 100µm per 150µm di dimensione, circa due volte lo spessore di un capello. Quando una particella carica lo attraversa rilascia abbastanza energia da rimuovere gli elettroni dagli atomi di silicio, creando delle coppie elettrone-lacuna. Ogni pixel usa una corrente elettrica per raccogliere queste cariche sulla superficie sotto forma di un piccolo segnale elettrico. In ogni mattonella un chip elettronico al silicio è attaccato al sensore, usando una saldatura microscopica, e ne amplifica il segnale. Sapendo quali pixel sono stati colpiti permette di ricostruire la traiettoria della particella. Siccome il rivelatore è composto da mattonelle bi-dimensionali, invece che di strips, e siccome è costituito di vari strati, si puo’ ricostruire un’immagine tridimensionale. Visto che ci sono 65 milioni di canali, la potenza dissipata da ogni pixel deve essere mantenuta la più bassa possibile. Anche se ogni pixel genera solo 50 microwatt, la potenza totale dissipata è paragonabile a quella prodotta da una piastra calda. Per non riscaldare il rivelatore i pixels sono montati su tubi raffreddati.

Rivelatore a Microstrip di Silicio

Dopo il rivelatore a pixel, le particelle attraversano 10 strati di rivelatori a microstrip di silicio, l’ultimo dei quali è situato ad un raggio di 130 cm.

Il rivelatore a microstrip di silicio è costituito di quattro strati interni barrel (TIB), assemblati in gusci cilindrici con due “tappi” (endcaps) interni, ognuno composto di 3 piccoli dischi. Il barrel esterno del rivelatore è costituito di 6 strati concentrici. Infine, due endcap (TEC) chiudono il tracciatore. Ogni strato è formato da moduli al silicio con caratteristiche diverse a seconda della posizione all’interno del rivelatore.

Questo rivelatore contiene 15200 moduli di alta precisione per un totale di 10 milioni di strips lette da 80000 chip microelettronici. Ogni modulo consiste di tre elementi: un insieme di sensori, la loro struttura di supporto meccanica e l’elettronica di lettura.

I sensori al silicio sono adatti per ricevere un’alta densità di particelle per merito della loro rapida risposta e buona precisione spaziale. I rivelatori al silicio funzionano in modo simile ai pixels: quando una particella carica attraversa il materiale ne ionizza gli atomi estraendone gli elettroni più esterni e questi, sotto l’effetto di un campo elettrico applicato, si muovono verso le strip dando luogo ad un piccolo impulso elettrico che dura qualche nanosecondo (un miliardesimo di secondo). Questa piccola quantità di carica viene poi amplificata dai chips APV25, fornendoci un punto (hit) quando passa una particella, permettendoci di ricostruirne la traiettoria.

Il tracciatore e la sua elettronica sono “bombardati” da radiazioni e sono stati disegnati per sostenere questi effetti. Per ridurre al minimo questi effetti il rivelatore è mantenuto a -20 gradi centigradi, in modo da “congelare” ogni danno e prevenirne la propagazione.

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