Long-term performance of non-ALD MCP-PMTs in the high-radiation environment of ALICE

Nel cuore dell'Europa, sotto il confine tra Francia e Svizzera, una mastodontica macchina nota come Large Hadron Collider fa scontrare particelle a velocità che si avvicinano a quella della luce. Quando queste collisioni avvengono, creano una pioggia di nuove particelle che volano verso l'esterno in tutte le direzioni. Per comprendere i blocchi fondamentali dell'universo, gli scienziati devono catturare questi frammenti fugaci e misurarli con estrema precisione. Uno dei compiti più critici è determinare esattamente quando è avvenuta una collisione. Se la tempistica è errata anche solo di una frazione infinitesima di secondo, i dati diventano una sfocatura e la storia della collisione va perduta. Per risolvere questo problema, l'esperimento ALICE, uno dei principali rilevatori al collidore, utilizza un sistema specializzato progettato per agire come un cronometro ad alta velocità. Questo sistema si basa su un fenomeno chiamato effetto Cherenkov, che si verifica quando una particella carica si muove attraverso un materiale trasparente a una velocità superiore a quella della luce all'interno di quel medesimo materiale. Ciò crea un debole lampo di luce blu, simile a un boom sonico ma per la luce. Catturando questo lampo con telecamere sensibili, il rilevatore può datare la collisione con un'accuratezza incredibile, fino a pochi trilionesimi di secondo.

Tuttavia, mantenere queste telecamere funzionanti in un ambiente così violento è una sfida formidabile. L'area in cui avvengono le collisioni è inondata di radiazioni e da un flusso incessante di particelle. I sensori devono essere abbastanza sensibili da rilevare un singolo lampo di luce, ma allo stesso tempo abbastanza robusti da sopravvivere al bombardamento di miliardi di particelle ogni secondo senza esaurirsi. Il team di ALICE ha recentemente riferito sulle prestazioni a lungo termine dei sensori specifici che hanno scelto per questo compito, noti come tubi fotomoltiplicatori a microcanali. Si tratta di tubi a vuoto riempiti di milioni di minuscoli canali di vetro che amplificano un singolo fotone di luce in un segnale elettrico misurabile. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene questi sensori si degradino nel tempo a causa dell'uso intenso, possono essere mantenuti operativi efficacemente regolando la tensione di esercizio. Ancora più sorprendentemente, hanno scoperto che i sensori hanno una capacità nascosta di guarire se stessi quando la macchina viene spenta per la manutenzione, recuperando parte della loro sensibilità perduta senza alcun intervento umano.

Il rilevatore ALICE è dotato di un sottosistema chiamato Fast Interaction Trigger, che si trova molto vicino al punto di collisione per monitorare i primissimi istanti di uno scontro. Questo sistema utilizza cinquantadue di questi sensori specializzati disposti in due array. I sensori più interni affrontano il traffico più intenso, gestendo un carico di fotoni equivalente a duecento milioni di fotoelettroni per centimetro quadrato ogni secondo. Questa è una quantità enorme di corrente elettrica per un dispositivo così delicato. Per gestire questo, il team ha selezionato una versione specifica del sensore che non utilizza un rivestimento atomico speciale destinato ad estenderne la vita, poiché quel rivestimento avrebbe reso il sensore troppo debole per gestire l'alta corrente. Invece, hanno utilizzato la versione standard, accettando che sarebbe invecchiata più velocemente, ma scommettendo sul fatto che avrebbero potuto gestire l'usura attraverso un'operazione attenta.

Nel corso di diversi anni di operatività, i ricercatori hanno monitorato come hanno performato questi sensori sotto il bombardamento incessante. Hanno monitorato la carica elettrica totale che passava attraverso ogni sensore, una misura di quanto lavoro il dispositivo avesse svolto. Al momento del loro rapporto, i sensori più utilizzati avevano accumulato una carica di due coulomb per centimetto quadrato. Come previsto, i sensori hanno iniziato a perdere sensibilità; le unità più usurate producevano solo circa il quaranta per cento del segnale che producevano un tempo. Tuttavia, il team ha trovato un modo semplice per compensare questa perdita. Aumentando gradualmente la tensione fornita ai sensori, sono stati in grado di riportare il segnale alla sua forza originale. Fondamentalmente, questa regolazione non ha rovinato la precisione temporale. Anche con i sensori invecchiati e operanti a tensioni più elevate, il sistema ha mantenuto la sua capacità di distinguere tra le collisioni con una risoluzione temporale di circa diciassette picosecondi per le collisioni di protoni e ancora migliore per le collisioni di ioni di piombo più pesanti. Ciò ha dimostrato che i sensori potevano sopravvivere all'ambiente ostile della regione anteriore del rilevatore, a patto che il team fosse disposto ad adeguare le impostazioni di potenza man mano che i dispositivi si usuravano.

Lo studio ha anche rivelato che non tutti i sensori invecchiano allo stesso ritmo. Mentre la maggior parte dei sensori equamente illuminati si degradava a una velocità quasi identica, due unità specifiche si sono usurate molto più velocemente delle altre. I ricercatori hanno rintracciato questo fenomeno fin dall'inizio dell'esperimento, scoprendo che queste due unità a rapido invecchiamento erano già i sensori più rumorosi prima ancora di essere accesi. Ciò suggerisce che la qualità iniziale del sensore, specificamente il suo livello di rumore di fondo, è un forte predittore di quanto durerà sotto un uso intenso. Questa scoperta aiuta gli scienziati a comprendere che, sebbene l'ambiente sia ostile, le caratteristiche intrinseche dei singoli componenti giocano un ruolo fondamentale nella loro sopravvivenza.

Forse la scoperta più intrigante è avvenuta durante i lunghi periodi in cui il collidore è stato spento per la manutenzione tecnica. I ricercatori hanno notato che quando i sensori venivano lasciati al buio per mesi, non rimanevano semplicemente inattivi; stavano effettivamente migliorando. Durante queste pause prolungate, i sensori invecchiati hanno recuperato spontaneamente circa l'otto per cento della loro sensibilità perduta. Questo recupero spontaneo è avvenuto senza alcuna modifica all'attrezzatura o all'ambiente, che è rimasto a una temperatura costante. I sensori che non si erano invecchiati significativamente non hanno mostrato tale recupero, indicando che il processo di guarigione è specificamente legato all'usura subita dai sensori. Il team ha osservato questo schema costantemente durante due separati periodi di arresto, ciascuno della durata di circa 160 giorni. Sebbene l'esatto meccanismo fisico dietro questo recupero rimanga un mistero, l'effetto è reale e misurabile. Suggerisce che il danno causato dall'alta corrente non è del tutto permanente e che il materiale all'interno del sensore può parzialmente ripararsi da solo quando riceve un riposo.

Questo lavoro segna il primo uso su larga scala di questi specifici sensori in un esperimento di fisica delle alte energie. I risultati mostrano che, scegliendo il tipo giusto di sensore e gestendo le condizioni operative, è possibile far funzionare un rilevatore temporale ad alta velocità in uno degli ambienti con la maggiore densità di radiazioni al mondo. Il team ha dimostrato che, anche con un significativo invecchiamento, il rilevatore può mantenere la precisione temporale necessaria per studiare le particelle più piccole dell'universo. La scoperta dell'effetto di auto-recupero aggiunge un nuovo livello di speranza per la longevità di questi dispositivi, suggerendo che l'usura del collidore potrebbe essere meno permanente di quanto precedentemente pensato. Mentre l'esperimento continua, i ricercatori pianificano di estrarre i sensori più invecchiati alla fine dell'attuale sessione per studiarli in dettaglio, sperando di scoprire finalmente il segreto dietro la loro capacità di riprendersi. Nel frattempo, i rilevatori continuano a ticchettare, catturando i momenti fugaci delle collisioni cosmiche con una resilienza straordinaria.