INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Il gruppo Detector Development Group (DDG LAB Frascati INFN) è stato coinvolto sin dal 1985 nell’R&D, progettazione e costruzione di rivelatori a gas.
Fino all’anno 2000 il gruppo ha lavorato su: tubi a fili, Resistive Plate Counters con elettrodi al vetro (nominati Glass Spark Counter – GSC) e grandi camere a deriva. Sebbene questi siano rivelatori “classici”, il lavoro di questo gruppo è stato spesso di carattere fortemente innovativo. La camera a deriva dell’esperimento KLOE è infatti la più grande mai costruita.
Durante le ultime due decadi l’attenzione si è spostata su una nuova classe di rivelatori: Micro-Pattern Gaseous Detectors (MPGD), nati convenzionalmente nel 1988 e migliorati dal lavoro di Y. Giomataris (Micro-Megas, 1997) e F. Sauli (GEM, 1998). Il gruppo DDG si è specializzato sui rivelatori a GEM per le stazioni per muoni dell’esperimento LHCb al CERN (2000).
Queste competenze sono state sfruttate per la costruzione della prima GEM cilindrica (2006) per l’esperimento KLOE-2 all’acceleratore e+e- DAΦNE ai Laboratori Nazionali di Frascati.
Intanto l’idea di sviluppare un MPGD più compatto e più resistente alle scariche ha portato, in collaborazione con il gruppo GDD del CERN, a un nuovo rivelatore: la micro-Resistive WELL (μ-RWELL). Questo rivelatore eredita la forma dei canali di amplificazione dalle GEM e lo stadio resistivo dalle Micro-Megas: un film di DLC (Diamond-like-carbon) che protegge l’intero rivelatore dalle scariche elettriche (Fig. 2).
La μ-RWELL rappresenta in questo momento la più importante attività del gruppo DDG visto che questa tecnologia è stata proposta per esprimenti di fisica delle alte energie (LHCb, CREMLINplus e IDEA) così come per rivelazione di neutroni (progetti ATTRAC-URANIA e URANIA-V). In parallelo svariati gruppi sparsi nel mondo stanno proponendo apparati o migliorie basate su questa tecnologia: CMD3, Budker Institute (Ru); X-17 – CERN-INFN; York Long Chamber, Università di York (UK); SCTF (Cina), EIC e CLAS12 a Jlab (USA).
LHCb – upgrade di fase II (2017): le μ-RWELL sono candidate a sostituire i rivelatori a GEM della parte centrale delle stazioni dei muoni. A causa dell’alto flusso di particelle, nuovi sistemi di messa a massa del resistivo sono in via di caratterizzazione. Tramite esposizione ai raggi X e a fasci di particelle la tecnologia ha dimostrato di poter operare sotto un flusso di particelle fino a 20 MHz/cm2.
CREMLINplus (2020): la Super Charm-Tau Factory (SCTF) sarà un acceleratore elettroni-positroni costruito in Russia per studiare stati finali con il quark c o il leptone τ. L’apparato per rivelare questi stati dovrà essere composto da pochissimo materiale per ridurre gli errori sistematici nella ricostruzione della traiettoria delle particelle. La proposta è di costruire una μ-RWELL cilindrica con un design modulare. I moduli sono a forma di tegola, con la possibilità di aprire l’intero rivelatore per sostituirle in caso di malfunzionamento (Fig. 3).
IDEA (2020): in questo apparato per un futuro acceleratore elettrone-positroni (FCC-ee e CepC) le μ-RWELL trovano posto per due sistemi di rivelazione: il pre-shower, per riconoscere i π0 decaduti in due gamma prima che questi ultimi entrino nel calorimetro, e il sistema per i muoni. La sfida qui è la produzione di massa di circa 20000 rivelatori con area attiva di 50×50 cm2 per una superficie di rivelazione totale di 5000 m2.
ATTRACT-URANIA (2019), URANIA-V (2021): la salvaguardia dei cittadini passa anche dalla lotta contro il contrabbando di materiale radioattivo e il controllo delle scorie nucleari. Questi compiti richiedono efficienti rivelatori per neutroni. La creazione di un segnale nella rivelazione di particelle è basata su interazioni elettriche, perciò una particella neutra non può essere direttamente vista. L’introduzione di un convertitore rende possibile rivelarle: nel caso dei neutroni, interagiscono con il convertitore rilasciando particelle cariche di bassa energia. All’interno dei progetti ATTRACT-URANIA (finanziato dall’Unione Europea) e URANIA-V (finanziato dalla CSN5) il gruppo LNF-DDG sta lavorando sull’ottimizzazione di questo convertitore, realizzato tramite deposizione (sputtering) di alcune parti del rivelatore con del carburo di Boro, in collaborazione con la sezione di Ferrara dell’INFN e con l’European Spallation Source Coating Workshop (Luns, SWE). Efficienze fino al 5% sono state misurate alla facility HOTNES dell’ENEA-Frascati. Grazie alla loro compattezza le μ-RWELL possono essere combinate in più strati aumentando così l’efficienza di rivelazione dei neutroni.
SRPC (2019): accanto alle attività sulle μ-RWELL, il gruppo DDG ha iniziato un nuovo R&D sulle Surface Resistive Plate Counters (SRPC, Fig. 4). La tecnologia sulla deposizione di DLC suggerisce infatti una sua possibile introduzione nell’ormai ben solido campo degli RPC. L’obiettivo è di trasferire la tecnologia nata con gli MPGD basata sul DLC per realizzare SRPC che possano operare in piena efficienza sotto un flusso di particelle superiore ai 10 kHz/cm2.