First demonstration of $50\,\mathrm{ps}$ four-dimensional vertex reconstruction with the Timepix4 beam telescope

Nel mondo della fisica delle alte energie, gli scienziati fanno scontrare particelle a velocità incredibili per studiare i blocchi fondamentali dell'universo. Queste collisioni avvengono con tale frequenza che, in un singolo istante, possono verificarsi decine di eventi separati esattamente nello stesso luogo. Immaginate di cercare di smistare un mucchio di lettere che sono state tutte lasciate cadere sul pavimento contemporaneamente; se guardate solo dove sono atterrate, non potete capire quale lettera appartenga a quale busta. Per decenni, i ricercatori si sono affidati alla posizione di queste particelle per smistarle. Tuttavia, man mano che le macchine diventano più potenti, le collisioni avvengono così vicine tra loro nello spazio che la sola posizione non è più sufficiente. Per risolvere questo problema, gli scienziati si stanno rivolgendo al tempo. Se riescono a misurare esattamente quando arriva una particella con estrema precisione, possono separare eventi che accadono nello stesso punto ma in momenti leggermente diversi. L'obiettivo è raggiungere un livello di temporizzazione così nitido da poter distinguere tra collisioni separate da soli pochi decine di picosecondi, una scala temporale così breve che la luce percorre solo pochi millimetri in quella durata.

Un team di ricercatori ha ora compiuto un passo importante verso questo obiettivo, dimostrando un nuovo modo per ricostruire l'origine delle collisioni tra particelle utilizzando sia lo spazio che il tempo. Lavorando con un telescopio specializzato composto da sensori al silicio presso l'Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, hanno tracciato con successo particelle prodotte da un fascio ad alta velocità che colpiva un bersaglio fisso. Combinando le misurazioni da più strati di rilevatori, sono stati in grado di individuare non solo dove è avvenuta una collisione, ma anche esattamente quando è avvenuta, ottenendo una risoluzione temporale di 54 picosecondi. Questa è la prima volta che un sistema del genere viene dimostrato efficace per la ricostruzione della storia quadridimensionale completa di un punto di collisione, provando che il tempo può essere usato come uno strumento potente per districare eventi di particelle affollati.

L'esperimento si è svolto in una struttura in Svizzera dove un fascio di adroni misti, un tipo di particella subatomica, veniva sparato contro un bersaglio stazionario. Mentre il fascio colpiva il bersaglio, creava una pioggia di nuove particelle che volavano verso l'esterno. Per catturare queste particelle, il team ha utilizzato un dispositivo chiamato telescopio a fascio, che consiste in otto strati piatti di sensori al silicio disposti in due bracci. Ogni strato è coperto da minuscoli pixel che agiscono come occhi digitali, registrando non solo dove è passata una particella, ma anche il momento preciso in cui è arrivata. I ricercatori hanno diretto il fascio verso un bersaglio fatto di tungsteno e ottone, creando un ambiente controllato in cui potevano studiare quanto bene il loro sistema potesse determinare il punto di partenza delle piogge di particelle. Hanno raccolto dati per diversi mesi, catturando milioni di queste interazioni per costruire un quadro dettagliato di come si muovevano le particelle e di quando arrivavano.

Per dare un senso ai dati, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo di analisi che tratta il tempo come una parte fondamentale del processo di ricostruzione, piuttosto che come un semplice elemento aggiunto in seguito. Negli approcci precedenti, gli scienziati determinavano prima il percorso che una particella compiva nello spazio e poi cercavano di aggiungere le informazioni temporali in un secondo momento. In questo studio, il team ha adattato il percorso e il tempo di arrivo simultaneamente, permettendo alle misurazioni temporali di aiutare a definire il percorso proprio come le misurazioni spaziali aiutavano a definire il tempo. Questo approccio ha richiesto software sofisticati per gestire la complessa matematica della combinazione dei dati provenienti da diversi strati, specialmente poiché le particelle volavano ad angoli ampi e colpivano i sensori in modi imprevedibili. Il sistema si è inoltre avvalso di un riferimento temporale separato, utilizzando due rilevatori specializzati per fornire un clock maestro per ogni evento, garantendo che le misurazioni del telescopio fossero sincronizzate con estrema accuratezza.

I risultati hanno mostrato che il sistema poteva determinare la posizione di una collisione con un'impressionante precisione. Per la posizione lungo la direzione del fascio, la risoluzione è migliorata all'aumentare delle tracce di particelle incluse nel calcolo, raggiungendo una precisione di circa 0,66 millimetri con sei tracce. Per la posizione attraverso il fascio, il sistema ha ottenuto una risoluzione di circa 20 micrometri con cinque tracce. Queste misurazioni spaziali hanno confermato che il telescopio poteva mappare accuratamente la geometria della collisione. Più importante ancora, il team ha misurato la risoluzione temporale del punto di collisione ricostruito. Man mano che combinavano più misurazioni temporali dagli strati dei sensori, la precisione della misurazione del tempo migliorava, seguendo il previsto schema statistico. Quando hanno utilizzato i dati da 16 cluster temporali, il sistema ha raggiunto una risoluzione temporale di 54 picosecondi.

Questo traguardo è significativo perché dimostra che non esiste una barriera nascosta che impedisca al sistema di migliorare ulteriormente. I ricercatori hanno scoperto che il miglioramento della risoluzione temporale seguiva la tendenza prevista, il che significa che l'aggiunta di più misurazioni continuava ad affinare l'immagine senza incontrare un improvviso muro di inaccuria. Tuttavia, hanno anche identificato un piccolo limite immutabile nel loro sistema. Anche con misurazioni perfette, rimaneva un'incertezza residua di circa 29 picosecondi. Questo limite non era causato dai sensori stessi o dal modo in cui le particelle venivano misurate, ma piuttosto dal sistema di clock utilizzato per sincronizzare i dati e dalla disposizione fisica dei rilevatori di riferimento temporale. I ricercatori hanno determinato che il tempo impiegato dalla luce per attraversare i rilevatori di riferimento variava leggermente a seconda di dove le particelle colpivano, introducendo una piccola quantità di incertezza che non poteva essere eliminata semplicemente aggiungendo altri sensori.

Nonostante questa piccola limitazione, l'esperimento segna una pietra miliare evidente. Dimostra che i rilevatori a pixel di silicio, ampiamente utilizzati nella fisica delle particelle, possono essere combinati per ottenere una ricostruzione quadridimensionale alla scala dei 50 picosecondi. Questa capacità è essenziale per il futuro della fisica delle alte energie, dove le macchine produrranno collisioni così dense che l'informazione spaziale da sola non sarà sufficiente a separarle. Mostrando che il tempo può essere usato per smistare questi eventi con alta precisione, lo studio fornisce una tabella di marcia per la prossima generazione di rilevatori. I ricercatori hanno concluso che, sebbene il loro attuale sistema non abbia ancora raggiunto l'obiettivo ultimo di 20 picosecondi richiesto per i futi aggiornamenti, ha dimostrato che la strada da seguire è chiara e che la tecnologia è pronta per essere perfezionata per una precisione ancora maggiore.