The scintillating fibre beam monitor for the CHNet-MAXI experiment at ISIS: characterisation of the light collection and detection system

Nello studio silenzioso della storia antica, il piombo è un narratore silenzioso. Per secoli, gli artigiani hanno plasmato questo metallo in tutto, dai tubi romani alle sculture rinascimentali, eppure l'origine specifica del minerale utilizzato in questi oggetti rimane spesso un mistero. Le diverse forme stabili degli atomi di piombo, note come isotopi, agiscono come un'impronta digitale chimica, rivelando la miniera in cui il metallo è stato estratto per la prima volta. Tuttavia, leggere questa impronta digitale senza danneggiare il prezioso manufatto è stato a lungo una sfida. Un nuovo approccio, che utilizza un fascio di particelle subatomiche chiamate muoni, offre un modo per guardare dentro questi oggetti in modo non distruttivo. Quando un muone viene catturato da un atomo di piombo, innesca una cascata di energia che rivela l'identità dell'atomo. Per far sì che questa tecnica funzioni, gli scienziati devono prima padroneggiare l'arte di guidare e contare queste particelle fugaci con estrema precisione, garantendo che ogni misurazione sia accurata e che ogni reperto rimanga intatto.

Presso l'ISIS Neutron and Muon Source nel Regno Unito, un team di ricercatori si sta preparando per un esperimento importante chiamato CHNet-MAXI, progettato per svelare i segreti del piombo nel patrimonio culturale. Prima di poter iniziare il loro lavoro sugli antichi manufatti, hanno dovuto costruire e testare uno strumento specializzato: un monitor di fascio. Questo dispositivo agisce come una telecamera ad alta velocità per il fascio di particelle, tracciando esattamente dove si trovano i muoni e quanti ne passano in ogni momento. Il monitor è costruito con due strati piatti di fibre plastiche, con ogni fibra che è un minuscolo tubo quadrato largo tre millimetri e lungo dieci centimetoli. Queste fibre sono disposte in una griglia, con uno strato che misura la posizione orizzontale e l'altro che misura la posizione verticale. Quando una particella colpisce una fibra, produce un lampo di luce, che viene poi catturato da occhi elettronici sensibili chiamati fotomoltiplicatori al silicio. L'intero assemblaggio è una delicata rete di sessantaquattro fibre, ciascuna collegata al proprio sensore elettronico, il tutto alloggiato all'interno di un contenitore stampato in 3D su misura.

I ricercatori sapevano che, affinché l'esperimento avesse successo, questo monitor doveva essere perfetto. Dovevano capire esattamente come la luce viaggia attraverso le fibre e come i sensori elettronici rispondono ad essa. Per farlo, si sono rivolti a potenti simulazioni al computer. Creando un modello virtuale del rilevatore, potevano osservare come un fascio di muoni si sarebbe comportato passando attraverso le fibre. Le simulazioni hanno mostrato che, al livello di energia specifico scelto per l'esperimento, i muoni avrebbero attraversato il primo strato di fibre e poi si sarebbero fermati all'interno del secondo strato, depositando la loro energia in modo prevedibile. Questa modellazione al computer è stata cruciale perché ha aiutato il team a calcolare un fattore di correzione, un aggiustamento matematico necessario per convertire i segoli elettrici grezzi in un conteggio accurato delle particelle. Le simulazioni suggerivano che, poiché le fibre sono impacchettate molto strettamente, quasi ogni muone colpirebbe almeno una fibra, il che significa che il fattore di correzione sarebbe molto vicino a uno, semplificando significativamente i calcoli finali.

Con la teoria in atto, il team ha portato il rilevatore in una struttura diversa in Italia, il centro CNAO, per testarlo con un fascio di protoni. Questo è stato un banco di prova utilizzando un tipo diverso di particella, ma uno che permetteva loro di controllare l'hardware e i sistemi di raccolta dati. Hanno sparato un fascio di protoni verso il rilevatore e hanno osservato i risultati su uno schermo. Il dispositivo funzionava, mappando con successo la forma del fascio e confermando che l'elettronica potesse gestire il compito. Tuttavia, i dati iniziali hanno rivelato un problema: la risposta non era uniforme. Alcune fibre riportavano un segnale più forte di altre, anche quando colpite dalla stessa quantità di energia. Questa irregolarità avrebbe distorto le immagini finali degli antichi manufatti, facendo apparire alcune parti più luminose o più scure di quanto fossero in realtà. Il team si è reso conto che, prima di poter affidare il dispositivo ai veri muoni, dovevano bilanciare la sensibilità di ogni singola fibra.

Per risolvere il problema, i ricercatori hanno eseguito una calibrazione accurata utilizzando una sorgente di raggi gamma. Hanno posizionato una piccola sorgente radioattiva sopra il rilevatore e hanno misurato l'uscita luminosa di ciascuna delle sessantaquattro fibre. Poiché la sorgente emette radiazioni in un modello prevedibile, i ricercatori sapevano esattamente quanta luce ogni fibra avrebbe dovuto produrre in base alla sua distanza dalla sorgente. Hanno confrontato le misurazioni reali con questo modello previsto. Laddove una fibra era troppo sensibile, hanno applicato un piccolo fattore di riduzione; laddove era troppo debole, hanno applicato un potenziamento. Questo processo, noto come equalizzazione, ha livellato le differenze tra i canali. Dopo l'aggiustamento, il rilevatore ha prodotto un'immagine pulita e uniforme del fascio, senza punti caldi o freddi artificiali. Il team ha verificato che questa calibrazione non avesse cambiato la dimensione o la posizione complessiva del fascio, ma solo la costanza del segnale sulla superficie.

L'ultimo passaggio è stato portare il rilevatore presso la struttura ISIS, dove sarà montato sulla linea di fascio per l'esperimento CHNet-MAXI. Il dispositivo è ora pronto a servire come occhi dell'esperimento, contando ogni muone che passa e garantendo che i dati raccolti dai campioni di pianto antico siano normalizzati correttamente. Sapendo esattamente quanti particelle colpiscono il campione, gli scienziati possono determinare con precisiono i rapporti isotopici senza mai toccare il reperto. Il test riuscito e la calibrazione del monitor a fibre scintillanti rappresentano una tappa fondamentale. Trasformano un complesso assemblaggio di plastica ed elettronica in uno strumento scientifico affidabile, aprendo la strada a una nuova era di analisi non distruttiva in archeologia. Il percorso dalle simulazioni al computer alla calibrazione finale ha garantito che, quando il primo oggetto antico verrà scansionato, i risultati saranno chiari e fedeli come la storia che sono destinati a rivelare.