Time resolution of the ALICE Time-Of-Flight detector with the first Run 3 pp collisions at ${\bf \sqrt{\textit{s}} = 13.6}$ TeV

Nel cuore del Large Hadron Collider, un enorme anello sepolto sotto il confine tra Francia e Svizzera, i protoni vengono accelerati a velocità che si avvicinano a quella della luce prima di essere fatti scontrare tra loro. Queste collisioni ricreano l'intenso calore e la densità dell'universo pochi istanti dopo il Big Bang, creando una fugace zuppa di particelle fondamentali. Per comprendere cosa sia accaduto in questi eventi di frazioni di secondo, gli scienziati devono identificare esattamente quali particelle siano nate dallo scontro. È un compito di estrema precisione: distinguere un protone da un pione o da un kaone, che sono tutti tipi diversi di materia ma possono apparire quasi identici mentre volano attraverso il rivelatore. La chiave per distinguerli risiede nel misurare quanto velocemente si muovono. Poiché tutte le particelle viaggiano a una velocità vicina a quella della luce, anche una minima differenza nella loro massa significa che arrivano a un rivelatore in tempi leggermente diversi. Misurando il tempo impiegato da una particella per percorrere una distanza nota, i fisici possono calcolarne la velocità e, di conseguenza, la sua identità. Questo processo, noto come identificazione delle particelle, è la base della capacità dell'esperimento ALICE di studiare la materia densa creata in queste collisioni.

Il rivelatore ALICE, uno dei principali strumenti al collider, si affida pesantemente a un componente chiamato rivelatore Time-Of-Flight, o TOF, per eseguire questa misurazione temporale. Per oltre un decennio, questo sistema ha aiutato con successo gli scienziati a smistare i detriti delle collisioni. Tuttavia, il collider ha recentemente subito un importante aggiornamento per aumentare il numero di collisioni che può produrre, richiedendo al rivelatore di registrare i dati a una velocità molto più alta rispetto al passato. Per gestire questa nuova sfida, il team di ALICE ha completamente rinnovato l'elettronica e i sistemi di elaborazione dei dati del rivelatore TOF. Hanno sostituito il vecchio sistema di trigger, che attendeva un segnale specifico per iniziare la registrazione, con un sistema di lettura continua che registra costantemente ogni impatto, proprio come una fotocamera che riprende un video invece di una serie di istantanee. Questo articolo riporta le prestazioni di questo nuovo sistema aggiornato durante le sue prime sessioni con collisioni protone-protone a un'energia di 13,6 TeV. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di verificare che il nuovo sistema, più veloce, potesse ancora misurare il tempo con l'estrema precisione richiesta per separare diversi tipi di particelle.

Il team ha analizzato i dati raccolti nel 2022, esaminando miliardi di eventi di collisione per testare la precisione temporale del rivelatore. Hanno impiegato due metodi indipendenti per misurare la risoluzione, ovvero la capacità del rivelatore di distinguere tra due tempi di arrivo molto vicini. Il primo metodo ha confrontato i tempi di arrivo di due particelle diverse all'interno dello stesso evento di collisione. Osservando la differenza tra questi due tempi, i ricercatori sono riusciti a eliminare le incertezze relative al momento esatto in cui è avvenuta la collisione, isolando la precisione del rivelatore stesso. Il secondo metodo ha utilizzato un sistema di temporizzazione separato e altamente preciso, situato in un'altra parte del rivelatore, per determinare il momento esatto della collisione e ha poi confrontato le misurazioni del TOF rispetto a questo tempo di inizio noto. Entrambi gli approcci hanno richiesto ai ricercatori di tenere conto del fatto che il tempo di risposta del rivelatore può variare leggermente a seconda delle dimensioni del segnale elettrico ricevuto, un fenomeno che hanno corretto utilizzando dati di calibrazione dettagliati.

I risultati hanno confermato che il sistema aggiornato sta funzionando eccezionalmente bene. Entrambi i metodi di misurazione hanno fornito risultati coerenti, dimostrando che il rivelatore può ora risolvere differenze temporali con una precisione superiore a 80 picosecondi. Un picosecondo è un millionesimo di miliardesimo di secondo; per dare un termine di paragone, la luce percorre solo circa tre centimetri in quella minuscola frazione di tempo. Questo livello di precisione è cruciale perché consente all'esperimento ALICE di identificare particelle con un momento maggiore rispetto a quanto precedentemente possibile, estendendo l'intervallo della fisica che possono studiare. I ricercatori hanno osservato che, sebbene le prestazioni attuali siano già eccellenti, c'è ancora margine di miglioramento man mano che continuano a perfezionare le loro procedure di calibrazione e a comprendere meglio il comportamento del rivelatore in queste nuove condizioni operative. Prevedono che, con un'ulteriore ottimizzazione, il sistema potrebbe eventualmente raggiungere risoluzioni ancora più fini, potenzialmente eguagliando la prestazione di 56 picosecondi ottenuta nelle collisioni di ioni pesanti alla fine della precedente fase operativa.

Il successo operativo dell'aggiornato rivelatore TOF dimostra che la collaborazione ALICE si è adattata efficacementamente alle richieste del nuovo ambiente di acquisizione dati ad alta frequenza. La transizione alla lettura continua, combinata con il rinnovamento dell'elettronica del rivelatore e lo sviluppo di nuovi software per l'elaborazione dei dati, si è rivelata una soluzione robusta. L'articolo conclude che il rivelatore è pienamente in grado di supportare i complessi compiti di identificazione delle particelle richiesti per le fasi attuali e future dell'esperimento. Questo traguardo assicura che il rivelatore ALICE rimanga uno strumento di primo piano per esplorare le proprietà fondamentali della materia, permettendo agli scienziati di continuare la loro investigazione sulla natura dell'universo con rinnovata precisione e capacità.