Monitoring antiproton numbers with a CMOS detector in a dense-track environment

Al cuore del laboratorio del CERN in Svizzera, gli scienziati lavorano per comprendere perché l'universo sia fatto di materia. Nei momenti successivi al Big Bang, materia e antimateria avrebbero dovuto essere create in quantità uguali, per poi annichilirsi istantaneamente a vicenda. Eppure, siamo qui, circondati dalla materia. Per risolvere questo mistero, i ricercatori studiano l'antimateria con estrema precisione, cercando anche la minima differenza nel modo in cui si comporta rispetto alla materia normale. Un esperimento come questo, chiamato GBAR, mira a creare atomi di antidrogeno — immagini speculari dell'idrogeno ordinario — e a lasciarli cadere per vedere come la gravità li influenzi. Per farlo, il team deve prima raccogliere un numero specifico di antiprotoni, i mattoni a carica negativa dell'antimateria, e rallentarli fino a un passo lento e regolare. La sfida è che queste particelle sono invisibili e svaniscono nel momento in cui toccano la materia ordinaria, rendendo incredibilmente difficile sapere esattamente quanti siano presenti in un dato momento. Senza un conteggio preciso, le misurazioni delicate necessarie per testare le leggi della fisica diventano impossibili.

Per risolvere questo problema di conteggio, il team di GBAR ha sviluppato un metodo ingegnoso utilizzando una fotocamera digitale modificata per osservare le conseguenze delle collisioni tra particelle. All'interno della loro camera a vuoto, dirigono un fascio di antiprotoni su una superficie di rilevamento specializzata fatta di minuscoli tubi di vetro. Quando un antiproone colpisce questa superficie, si annichila, scomparendo e rilasciando un'ondata di energia che spruzza via una nuvola di nuove particelle veloci. Il team si è reso conto che, se fossero riusciti a contare queste particelle proiettate, avrebbero potuto lavorare a ritroso per determinare esattamente quanti antiprotoni fossero arrivati. Hanno montato una fotocamera digitale commerciale, priva di lente e avvolta in una pellicola oscurante, all'esterno della camera a vuoto. Questa fotocamera è dotata di un sensore altamente sensibile composto da milioni di pixel microscopici, simili a quelli presenti negli smartphone ma molto più precisi. Quando lo spruzzo di particelle derivante dall'annichilazione colpisce il sensore, lascia dietro di sé minuscole tracce di carica elettrica, che la fotocamera registra come distinti ammassi di luce.

I ricercatori hanno affrontato un ostacolo significativo: l'ambiente è affollato di particelle e la superficie dove colpiscono gli antiprotoni è complessa e irregolare. Dovevano garantire che la fotocamera potesse distinguere tra un singolo evento di antiprotoni e il rumore di fondo, e che potesse gestire milioni di eventi senza confondersi. Attraverso test accurati, hanno scoperto che il sensore della fotocamera è quasi perfetto per questo compito. È così sensibile da rilevare quasi ogni particella che lo attraversa, pur rimanendo cieco alla radiazione di fondo che di solito confonde altri rilevatori. Analizzando la dimensione e la forma degli ammassi di luce sul sensore, il team ha potuto determinare l'angolo con cui le particelle sono arrivate e persino stimare lo spessore dello strato attivo del sensore. Hanno scoperto che per ogni antiproto che colpisce il bersaglio, emerge un numero prevedibile di nuove particelle cariche, creando una firma affidabile che la fotocamera può contare con alta precisione.

Per trasformare questi conteggi in un numero esatto di antiprotoni, il team ha dovuto tenere conto della geometria della loro configurazione e del comportamento delle particelle durante il tragitto dal bersaglio alla fotocamera. Hanno utilizzato potenti simulazioni al computer per modellare il movimento delle particelle attraverso il vuoto e la loro interazione con l'attrezzatura circostante. Queste simulazioni li hanno aiutati a capire che il numero di particelle che raggiungono la fotocamera dipende dalla distanza dal bersaglio e dai materiali specifici che le particelle attraversano. Confrontando i conteggi della fotocamera in due posizioni diverse — una vicina alla sorgente del fascio e una più avanti lungo la linea — hanno potuto calibrare il loro sistema. Hanno scoperto che il rapporto tra le particelle rilevate nei due punti corrispondeva ai loro modelli informatici, confermando che il loro metodo era solido. Ciò ha permesso loro di creare una formula semplice: contando gli ammassi sulla fotocamera e conoscendo la distanza e il numero medio di particelle prodotte per antiproto, potevano calcolare il numero totale di antiprotoni nel fascio.

Il risultato è un nuovo modo per misurare l'antimateria che è allo stesso tempo robusto e accurato. Il team ha dimostrato che il loro metodo può ricostruire milioni di annichilazioni di antiprotoni con un margine di errore totale di circa il dieci per cento. Questo livello di precisione è raggiunto perché la fotocamera conta direttamente le particelle, bypassando molte delle incertezze che affliggono altre tecniche di misurazione. L'approccio minimizza gli errori causati dalla superficie complessa del bersaglio o dal numero variabile di particelle prodotte in ogni collisione, poiché questi fattori si annullano quando il sistema viene calibrato rispetto a un'intensità di fascio nota. Il successo di questa tecnica significa che l'esperimento GBAR può ora monitorare la sua scorta di antiprotoni con grande fiducia, assicurando che i passaggi successivi per la creazione e lo studio dell'antidrogeno si basino su fondamenta solide. È una vittoria silenziosa ma essenziale, che trasforma uno spruzzo caotico di detriti subatomici in un segnale chiaro e numerabile che porta gli scienziati un passo più vicini alla comprensione della natura fondamentale del nostro universo.