Irradiation Studies and Design Optimization of the ATLAS Tile Calorimeter for the High-Luminosity LHC

Nel profondo della terra, sotto il confine tra Francia e Svizzera, una macchina massiccia chiamata Large Hadron Collider fa scontrare particelle quasi alla velocità della luce. Questa collisione crea una pioggia di nuove particelle, alcune delle quali sono adroni, una famiglia pesante di particelle che include protoni e neutroni. Per comprendere cosa accada in queste collisioni, gli scienziati devono misurare l'energia di questi adroni con estrema precisione. L'esperimento ATLAS, uno dei giganti rilevatori che circondano il punto di collisione, utilizza un dispositivo specializzato chiamato Calorimetro a Piastrelle (Tile Calorimeter) per questo compito. Esso funziona come un sandwich a strati: spessi piatti di acciaio fungono da spugna per assorbire l'energia delle particelle passanti, mentre piastrelle di plastica inserite tra l'acciaio brillano con un lampo di luce quando colpite. Questa luce viene raccolta e inviata a occhi elettronici sensibili che contano i lampi per determinare quanta energia sia stata depositata.

Tuttavia, la macchina sta per subire un massiccio aggiornamento per diventare l'High-Luminosity LHC, che opererà per anni a partire dal 2030. Questa nuova fase produrrà collisioni a un tasso dieci volte superiore rispetto a prima, creando un ambiente molto più intenso e pieno di radiazioni. Questa radiazione è come una tempesta costante e invisibile che può danneggiare l'elettronica delicata, causandone il malfunzionamento o il guasto totale. La sfida per gli scienziati è garantire che il Calorimetro a Piastrelle possa sopravvivere a questa tempesta e continuare a effettuare misurazioni accurate senza fermarsi. Se l'elettronica dovesse guastarsi, il rilevatore diventerebbe cieco, e anni di potenziali scoperte andrebbero perduti. Il team responsabile del Calorimetro a Piastrelle ha dovuto riprogettare l'intero sistema che si trova proprio accanto al rilevatore, sostituendo i vecchi componenti con nuovi componenti costruiti per resistere a questo futuro ostile.

I ricercatori hanno iniziato mappando esattamente quanta radiazione ogni parte del rilevatore avrebbe affrontato nel corso del prossimo decennio. Hanno utilizzato simulazioni informatiche per prevedere gli scenari peggiori per le aree più esposte, in particolare vicino alle intercapedini tra i moduli del rilevatore. Questi calcoli hanno mostrato che l'elettronica sarebbe stata bombardata da un livello di energia e di impatti di particelle molto superiore a quanto il sistema attuale fosse progettato per gestire. Per sopravvivere, il team ha deciso di sostituire l'intero sistema di lettura — l'elettronica che raccoglie ed elabora i dati — con una nuova architettura altamente modulare. Questo nuovo design utilizza un mix di chip realizzati su misura e componenti commerciali robusti che sono stati selezionati appositamente per la loro capacità di resistere alle radiazioni.

Una parte critica di questo nuovo sistema è l'alimentatore, che funge da cuore del rilevatore, fornendo elettricità costante ai sensori sensibili. Le vecchie unità di alimentazione erano inefficienti e generavano troppo calore, il che sarebbe stato impossibile da raffreddare nello spazio affollato del rilevatore. Il team ha riprogettato queste unità per renderle molto più efficienti, migliorando le loro prestazioni da circa il cinquantotto percento al settantadue percento. Questo cambiamento non riguardava solo il risparmio energetico; era essenziale per mantenere il rilevatore abbastanza fresco da operare in sicurezza. Hanno anche sostituito i vecchi transistor all'interno di queste unità con modelli più recenti, migliori nel gestire lo stress elettrico causato dalle radiazioni. I test hanno dimostrato che questi nuovi componenti possono resistere all'intenso ambiente di radiazione senza perdere la capacità di regolare la potenza, garantendo che il rilevatore non subisca guasti elettrici.

Il team si è concentrato anche sui tubi fotomultiplicatori, ovvero i dispositivi che trasformano la debole luce delle piastrelle di plastica in segnali elettrici. Nelle aree più pericolose del rilevatore, dove la radiazione è più alta, hanno installato oltre mille nuovi tubi, più resistenti e stabili rispetto a quelli vecchi. Questi nuovi tubi sono abbinati a divisori attivi, circuiti che gestiscono l'alta tensione necessaria per far funzionare i tubi. I ricercatori hanno testato questi divisori in condizioni estreme, esponendoli a dosi di radiazioni che avrebbero distrutto l'elettronica standard. Hanno scoperto che, anche dopo aver assorbito una quantità massiccia di radiazioni, la stabilità della tensione dei tubi è rimasta quasi perfetta, con solo una minima e accettabile diminuzione delle prestazioni. Ciò significa che i segnali luminosi rimarranno chiari e affidabili, anche dopo anni di pesante bombardamento.

La parte più complessa dell'aggiornamento riguarda i cervelli digitali del rilevatore: le schede principali e le schede figlie che elaborano i dati e li inviano ai computer. Queste schede contengono processori avanzati che sono naturalmente sensibili alle radiazioni, le quali possono causare il ribaltamento dei bit di dati o il blocco del sistema. Per proteggerli, gli ingegneri hanno costruito molteplici livelli di difesa. Hanno utilizzato tecniche software e hardware speciali che controllano costantemente gli errori e li correggono istantaneamente prima che possano causare un problema. Durante i test, hanno bombardato queste schede con protoni e neutroni per simulare la radiazione del futuro acceleratore. Le schede sono sopravvissute a dosi di radiazioni molto più elevate di quelle che vedrebbero mai nella macchina reale. Quando si sono verificati degli errori, il sistema li ha catturati e corretti immediatamente, dimostrando che i dati sarebbero rimasti integri e che il rilevatore avrebbe continuato a lavorare senza interruzioni.

Ogni singolo componente in questo nuovo sistema, dai blocchi di alimentazione ai processori digitali, è stato sottoposto a una serie rigorosa di test per dimostrare di poter sopravvivere all'High-Luminosity LHC. I ricercatori hanno esposto le parti a raggi gamma, neutroni e protoni, misurando esattamente come si comportavano sotto stress. I risultati sono stati chiari: il nuovo design ha superato ogni test con successo. I componenti non hanno mostrato segni dei guasti catastrofici che avrebbero condannato il vecchio sistema. Hanno confermato che i nuovi alimentatori sono efficienti e robusti, i sensori di luce sono stabili e i processori digitali sono resilienti. Con queste scoperte, la collaborazione ATLAS ha un piano di aggiornamento del Calorimetro a Piastrelle pienamente certificato. Il rilevatore è ora pronto per essere ricostruito con questi nuovi sistemi rinforzati, assicurando che continuerà a rivelare i segreti dell'universo quando l'acceleratore si riaccenderà nel 2030.