Radiation damage and recovery of SiPMs exposed to low-momentum muon beams for innovative scintillation-based muon beam monitors
Questo studio dimostra che otto modelli di SiPM di vari produttori mantengono la stabilità operativa e recuperano le prestazioni ottimali dopo l'annealing termico a seguito dell'esposizione a fasci di muoni ad alta intensità da 29 MeV/c, validando la loro idoneità per innovativi monitor di fasci di muoni a basso momento basati sulla scintillazione.
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Nel mondo della fisica delle particelle, gli scienziati devono spesso tracciare flussi invisibili di particelle subatomiche per comprendere come sia costruito l'universo. Una di queste particelle è il muone, un cugino pesante dell'elettrone che piove su di noi dallo spazio o viene creato in potenti macchine. Per catturare questi visitatori fugaci, i ricercatori utilizzano rilevatori che brillano quando un muone vi passa attraverso, un processo chiamato scintillazione. La luce di questo bagliore deve essere catturata e contata, e per decenni, lo strumento standard per questo lavoro è stato un dispositivo chiamato Fotomoltiplicatore al Silicio, o SiPM. Pensatelo come un occhio elettronico altamente sensibile in grado di vedere singoli lampi di luce. Tuttavia, questi dispositivi sono delicati. Quando vengono posizionati direttamente nel percorso di un fascio di particelle per svolgere il loro compito, possono essere danneggiati proprio dalle particelle che stanno cercando di misurare. Questo danno crea una sorta di rumore elettronico, rendendo il dispositivo meno affidabile. La sfida per gli scienziati è progettare rilevatori che possano sopravvivere a questo ambiente ostile o, almeno, recuperare da esso, in modo da poter continuare a fornire dati chiari per gli esperimenti nella scienza dei materiali e nella fisica fondamentale.
Presso l'ISIS Neutron and Muon Source nel Regno Unito, un team di ricercatori si è messo in impegno per testare quanto bene questi occhi elettronici resistano quando esposti a un tipo specifico e intenso di fascio di muoni. Erano particolarmente interessati ai muoni a basso momento lineare, che si muovono relativamente lentamente e depositano una grande quantità di energia quando si fermano. Questi muoni lenti sono preziosi per lo studio dei materiali, ma il loro elevato deposito di energia pone un rischio significativo per i sensori posti nel loro percorso. Il team ha raccolto otto diversi modelli di SiPM di varie fabbriche e li ha sottoposti a un fascio di muoni positivi con un momento lineare di 29 MeV/c. L'esposizione è stata intensa, durata 13 ore con un flusso costante di circa un milione di muoni al secondo. L'obiettivo era vedere se i sensori sarebbero stati rovinati permanentemente o se potessero essere riparati.
Per monitorare il danno in tempo reale, i ricercatori hanno osservato la "corrente di buio" dei sensori, ovvero il segnale elettrico che scorre anche in assenza di luce. Mentre i muoni bombardavano i dispositivi, questo rumore di fondo aumentava, segno che la struttura interna del silicio stava venendo alterata dalla radiazione. I muoni stavano creando minuscoli difetti nel reticolo cristallino del silicio, essenzialmente inciampando gli elettroni e causando la generazione di falsi segnali. Tuttavia, il team sospettava che questo danno potesse non essere permanente. Proprio come un osso rotto può guarire, i ricercatori ipotizzarono che riscaldare il silicio potesse permettere alla sua struttura atomica di ripararsi, un processo noto come ricottura termica (thermal annealing).
Dopo l'intenso bombardamento, il team ha preso i sensori danneggiati e li ha riscaldati a 125 gradi Celsius per 24 ore. Questa non era una scelta casuale, ma una temperatura accuratamente selezionata per incoraggiare gli atomi di silicio a riorganizzarsi e riparare i difetti senza fondere o distruggere il dispositivo. I risultati sono stati incoraggianti. Una volta raffreddati, i sensori sono stati testati nuovamente e il rumore elettrico era diminuito significativamente. Sebbene i dispositivi non fossero tornati esattamente al loro stato originale, si erano ripresi abbastanza da essere considerati stabili e operativi. La tensione di breakdown, ovvero la specifica pressione elettrica necessaria per far funzionare il sensore, è rimasta ampiamente invariata, indicando che la capacità fondamentale del sensore di rilevare la luce era intatta. I ricercatori hanno inoltre notato un piccolo spostamento sistematico in questa tensione dopo l'esperimento, che sospettano possa essere dovuto a una piccola quantità di neutroni vaganti nel fascio, ma la conclusione principale era chiara: il trattamento termico aveva rimosso con successo la maggior parte del danno da radiazione.
Questo lavoro fa parte di uno sforzo più ampio per costruire nuovi tipi di monitor di fascio per i muoni a basso momento lineare. Gli attuali rilevatori utilizzano spesso strati spessi di materiale o configurazioni complesse che possono bloccare il fascio o interferire con l'esperimento. Il team sta sviluppando un design molto più semplice: un singolo foglio sottile di materiale scintillante letto da una griglia piatta di questi SiPM. Questo design offre un'alta precisione ma richiede che i sensori si trovino direttamente nel fascio. Lo studio conferma che questa esposizione diretta è fattibile, a condizione che ai sensori venga data la possibilità di guarire attraverso la ricottura termica. Dimostrando che questi dispositivi possono resistere ai rigori di un fascio di muoni e recuperare le proprie prestazioni, i ricercatori hanno aperto la strada a rilevatori più compatti ed efficienti. Questi nuovi strumenti permetteranno agli scienziati di guardare all'interno della struttura atomica dei materiali con maggiore chiarezza, assicurando che la ricerca per comprendere i mattoni fondamentali della materia continui senza che i sensori stessi diventino un collo di bottiglia.
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