The ATAR, a dense and compact vertex detector for the PIONEER experiment
Questo articolo presenta il design e lo stato di sviluppo al 2026 dell'ATAR, un target attivo ad alta granularità composto da 48 rivelatori a strisce con avalanche a basso guadagno dotati di precisa risoluzione temporale e spaziale, che funge da componente critica per l'esperimento PIONEER presso il PSI per raggiungere un'accuratezza di misura dello 0,01% del rapporto di ramificazione del pione cariche.
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Nel mondo subatomico, particelle chiamate pioni sono messaggeri fugaci che decadono quasi istantaneamente dopo essere stati creati. Quando un pione con carica positiva si frammenta, solitamente si trasforma in un muone e in una particella spettrale chiamata neutrino. Molto raramente, tuttavia, sceglie un percorso diverso, decadendo direttamente in un positrone e un neutrino. Questo evento raro è un test fondamentale di come funziona l'universo, specificamente di un principio chiamato universalità leptonica, che suggerisce che la natura tratti i diversi tipi di particelle leggere con lo stesso peso, indipendentemente dalla loro massa. I calcoli teorici prevedono esattamente quanto spesso questo raro decadimento dovrebbe avvenire, ma le misurazioni più precise che abbiamo finora si attestano leggermente al di sotto di tale previsione. Gli scienziati devono sapere se questo divario sia solo un errore di misurazione o il segno di una nuova fisica che si nasconde nelle ombre. Per risolvere questo problema, devono contare questi rari eventi con una precisione mai raggiunta prima, richiedendo un rivelatore capace di vedere i minimi dettagli degli ultimi istanti di una particella.
Un team di ricercatori noto come collaborazione PIONEER sta costruendo una macchina per rendere possibile questa misurazione presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera. Il loro obiettivo è misurare il rapporto tra i decadimenti dei pioni in elettroni rispetto ai muoni con un'accuratezza di un centesimo di percentuale, un livello di precisione che corrisponde alle migliori previsioni teoriche. Il cuore di questa nuova macchina è un dispositivo chiamato ATAR, uno stack denso e compatto di sensori al silicio progettato per agire come un bersaglio completamente strumentato. A differenza degli esperimenti tradizionali in cui le particelle attraversano lo spazio vuoto prima di colpire un rivelatore, l'ATAR ferma il fascio di pioni entrante direttamente all'interno degli strati del sensore. Ciò consente alla macchina di catturare l'istante esatto in cui un pione si ferma, il suo decadimento e l'energia delle particelle risultanti con un dettaglio senza precedenti. Il dispositivo è composto da uno stack di 48 rivelatori a strisce a basso guadagno (LGAD), dove ogni piano del sensore contiene 100 microstrisce, impilate per creare uno spessore totale del bersaglio di circa sei millimetri.
La sfida per il team PIONEER è che il raro decadimento che stanno cacciando somiglia molto a un evento di fondo molto più comune. Quando un pione decade in un muone, quel muone può successivamente decadere in un elettrone, creando un segnale che imita il raro decadimento diretto. Per separare i due, l'ATAR si affida a un'estrema velocità e precisione spaziale. I sensori al silicio sono in grado di misurare il tempo con una risoluzione di duecento picosecondi, il che è sufficientemente veloce da distinguere tra l'arresto iniziale del pione e il successivo decadimento della sua particella figlia. Registrando l'intera forma d'onda elettrica del segnale, il sistema può persino distinguere tra due impulsi che arrivano a soli due nanosecondi di distanza nello stesso canale. Questa capacità temporale permette ai ricercatori di filtrare le comuni catene di decadimento, mantenendo i rari eventi di cui hanno bisogno e respingendo milioni di segnali di fondo.
Oltre al tempo, l'ATAR misura l'energia depositata dalle particelle mentre passano attraverso o si fermano nel silicio. Un pione che si ferma nel bersaglio lascia una distinta firma energetica di circa quattordici milioni di elettronvolt, mentre un muone che si ferma lascia un deposito molto più piccolo di quattro virgola uno milioni di elettronvolt. Questa differenza di energia, combinata con la precisione temporale, aiuta il team a identificare il tipo specifico di particella coinvolta in ogni evento. I sensori sono disposti in uno stack in cui ogni strato è ruotato di novanta gradi rispetto al precedente, creando una mappa tridimensionale del percorso della particella. Questa informazione spaziale è cruciale per ricostruire la forma dell'evento e garantire che il positrone del raro decadimento sia correttamente identificato e tracciato fino al calorimetro circostante, un grande rivelatore che misura l'energia totale delle particelle.
Per gestire l'enorme quantità di dati generati da questa registrazione ad alta velocità, l'elettronica è posizionata al di fuori del percorso immediato delle particelle per evitare di interferire con le misurazioni dell'energia. Il sistema utilizza amplificatori veloci e chip specializzati che digitalizzano le forme d'onda in tempo reale, catturando la forma del segnale per analizzare l'altezza dell'impulso e il tempo in seguito. Il team sta attualmente sviluppando prototipi di questo sistema, con una versione di test chiamata ATAR 8, composta da uno stack con 8 o 10 strati di sensori, programmata per essere testata alla fine del 2026. Simulazioni e test iniziali suggeriscono che questo approccio potrebbe respingere il rumore di fondo di un fattore di cinquecento pur mantenendo la metà degli eventi rari che stanno cercando. Se avrà successo, l'esperimento PIONEER fornirà una misurazione definitiva del rapporto di decadimento del pione, confermando la nostra attuale comprensione dell'universo o rivelando una crepa nel modello standard che punta verso una nuova, sconosciuta fisica.
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