INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Traduzione dell’articolo di Jerald Pinson apparso su Fermilab News il 09/04/2020:
https://news.fnal.gov/2020/04/the-cold-eyes-of-dune/
Come si fa a rivelare una particella quasi del tutto priva di massa, che subisce l’azione solo di due delle quattro forze fondamentali, in grado di viaggiare indisturbata attraverso il piombo per un intero anno luce, senza mai interagire con la materia? E’ questo il problema posto dai neutrini, particelle fantasma generate in migliaia di miliardi dalle reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle, compreso il nostro Sole, e sulla Terra. Gli scienziati possono anche produrli per studiarli in esperimenti controllati usando acceleratori di particelle. Uno dei modi per rivelarli consiste nell’utilizzo di ampie vasche riempite di argon liquido e avvolte da una complessa rete di circuiti integrati in grado di operare a temperature inferiori alla media diurna di Nettuno.
L’industria di solito non utilizza l’elettronica che opera a temperature criogeniche, perciò i fisici delle particelle hanno dovuto costruirsela da sé. Una collaborazione tra numerosi laboratori nazionali afferenti al Dipartimento dell’Energia, incluso il Fermilab, ha sviluppato prototipi dell’elettronica che verrà alla fine utilizzata nell’esperimento internazionale DUNE – Deep Underground Neutrino Experiment, ospitato dal Fermilab. DUNE produrrà un intenso fascio di neutrini al Fermilab, in Illinois, e lo invierà per 800 miglia attraverso la crosta terrestre fino ai rivelatori situati in South Dakota. I risultati dell’esperimento potrebbero aiutare gli scienziati a capire il motivo della preponderanza della materia rispetto all’antimateria, uno squilibrio che ha portato alla formazione del nostro universo.
Fisica e gelo
I rivelatori di neutrini di DUNE saranno enormi: quattro serbatoi, alti ciascuno quanto un edificio di quattro piani, conterranno nell’insieme 70.000 tonnellate di argon liquido e verranno collocati in una caverna situata a un miglio di profondità dalla superficie terrestre.
Nella nostra atmosfera l’argon si presenta naturalmente in forma gassosa e convertirlo in un liquido comporta il suo raffreddamento a temperature estremamente basse. I nuclei atomici dell’argon liquido sono impacchettati così densamente che alcuni dei neutrini – notoriamente elusivi – che partono dal Fermilab interagiranno con essi, lasciando dietro di sé segni rivelatori del loro passaggio. La collisione risultante produce particelle diverse che si sparpagliano in tutte le direzioni, inclusi elettroni, che i fisici utilizzano per ricostruire il percorso del neutrino altrimenti invisibile.
Un campo magnetico forte mantenuto all’interno del rivelatore fa sì che gli elettroni liberi si spostino verso i fili connessi ai componenti elettronici sensibili. Passando attraverso di essi, gli elettroni generano piccoli impulsi di tensione che vengono registrati dall’elettronica nella camera di argon liquido. Gli amplificatori posti all’interno della camera quindi incrementano il segnale aumentando la tensione elettrica, dopodiché vengono convertiti in dati digitali. Infine, i segnali, raccolti e digitalizzati in tutta la camera, vengono raggruppati e inviati a una serie di computer esterni al rivelatore per l’immagazzinamento e l’analisi.
Sfide dell’elettronica ghiacciata
L’elettronica dei rivelatori di neutrini funziona come la tecnologia che utilizziamo tutti i giorni, con una sola importante eccezione. I circuiti integrati nei nostri telefoni, computer, macchine fotografiche, automobili, forni a microonde e altri dispositivi sono stati sviluppati per operare a temperatura ambiente o intorno ad essa, fino a circa -40 gradi Celsius. L’argon liquido dei rivelatori di neutrini, invece, viene raffreddato a circa -200 C°.
“Se si usa un’elettronica progettata per funzionare a temperatura ambiente, raramente essa si rivela funzionante altrove bene quanto quella progettata per operare a temperature criogeniche” afferma lo scienziato del Fermilab David Christian.
In passato, il problema veniva del tutto aggirato collocando i circuiti elettronici al di fuori dei serbatoi di argon. Ma quando misuri un numero limitato di elettroni, anche il più fievole rumore elettronico può mascherare il segnale che stai cercando.
Il modo più semplice per mitigare il problema consiste nella stessa tattica impiegata per evitare che il cibo vada a male: raffreddarlo. Se tutta l’elettronica è immersa nell’argon liquido, si riducono le vibrazioni termiche degli atomi con conseguente aumento del rapporto segnale-rumore. Collocare l’elettronica all’interno di un serbatoio di argon liquido presenta l’ulteriore vantaggio di ridurre la quantità di filo necessaria per inviare i segnali agli amplificatori. Se, per esempio, amplificatori e convertitori analogico-digitali vengono posti esternamente rispetto alla camera (come avviene in alcuni rivelatori di neutrini), occorrono lunghi fili per connetterli ai rivelatori all’interno.
“Collocando l’elettronica dentro la camera criogenica, hai fili molto più corti e dunque meno rumore” spiega Carl Grace, ingegnere presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. “Amplifichi il segnale e lo digitalizzi nella camera ad argon. Disponi così di un’interfaccia digitale verso il mondo esterno in cui il rumore non è più un problema”.
In fase di sviluppo i gruppi di lavoro hanno dovuto superare diverse sfide di progettazione, non ultima delle quali determinare come testare la durata di tali dispositivi.
“Questi chip dovranno operare per un minimo di vent’anni, possibilmente più a lungo” afferma Grace. “E per via della natura delle camere ad argon, l’elettronica che viene inserita al loro interno non può essere cambiata. Non è possibile sostituirla o ripararla in alcun modo”.
Dal momento che Grace e la sua squadra non hanno a disposizione 20 anni per testare i loro prototipi, hanno stimato approssimativamente gli effetti dell’invecchiamento aumentando la tensione elettrica che alimenta i chip per simulare l’usura connessa a un’operatività a lungo termine.
“Prendiamo l’elettronica, la raffreddiamo e poi aumentiamo la tensione elettrica per accelerarne l’invecchiamento” spiega Grace. “Osservandone il comportamento per un periodo di tempo relativamente breve, possiamo quindi stimare quanto potrebbe durare operando ai livelli di voltaggio per i quali è stata concepita”.
La resistenza nei circuiti
Non solo questi circuiti devono essere costruiti per durare decenni; devono anche essere resi resistenti sotto un altro profilo.
Un circuito elettronico manifesta una certa quantità di resistenza rispetto alla corrente elettrica che l’attraversa. Nel passare all’interno di esso, gli elettroni interagiscono con gli atomi in vibrazione del materiale conduttore, e ciò li rallenta. Tuttavia, tali interazioni sono ridotte quando l’elettronica viene portata a temperature criogeniche, con conseguente aumento della velocità media degli elettroni che costituiscono il segnale.
“Questo, in termini di produzione, è un bene; i circuiti integrati in fase di realizzazione per DUNE saranno più efficienti se collocati nell’argon liquido. Ma, se gli elettroni viaggiano più velocemente attraverso i circuiti man mano che le temperature si abbassano, essi potrebbero iniziare a danneggiare i circuiti stessi”.
Se gli elettroni possiedono un’energia cinetica abbastanza elevata, possono effettivamente iniziare a strappare atomi dalla struttura cristallina del materiale conduttore”, dice Grace. “Come proiettili che colpiscono un muro. Col tempo il muro perde integrità”.
I chip di DUNE sono progettati per mitigare quest’effetto. Vengono fabbricati utilizzando un elevato numero di dispositivi per minimizzare i danni, e vengono fatti operare a minor voltaggio rispetto a quello impiegato normalmente a temperatura ambiente. Gli scienziati possono inoltre aggiustare nel tempo i parametri di funzionamento per compensare ogni danno che si verifichi nei molti anni di utilizzo.
Tempistiche per il completamento
Con la preparazione di DUNE ben avviata e l’esperimento che dovrebbe iniziare a produrre dati entro il 2027, scienziati di molti istituti di ricerca lavorano alacremente allo sviluppo di prototipi elettronici.
Alcuni scienziati del Brookhaven National Laboratory si stanno dedicando al perfezionamento dell’amplificatore, mentre gruppi di lavoro provenienti da laboratori del Fermilab, Brookhaven e Berkeley collaborano allo studio di un convertitore analogico-digitale. Il Fermilab ha inoltre avviato una collaborazione con la Southern Methodist University per sviluppare il componente elettronico che permetta di unire tutti i dati all’interno del serbatoio di argon prima che siano trasmessi all’elettronica posta al di fuori del rivelatore criogenico. Per concludere, ricercatori impegnati in un progetto concorrente allo SLAC National Accelerator Laboratory stanno cercando un modo per combinare efficientemente i tre componenti in un unico circuito integrato.
I diversi team prevedono di sottoporre in esame i vari progetti di circuito quest’estate. I progetti selezionati verranno realizzati e infine installati nei rivelatori di neutrini di DUNE presso il Sanford Underground Neutrino Facility in South Dakota.
Traduzione a cura di Camilla Paola Maglione, Ufficio Comunicazione INFN-LNF