Long-term performance of non-ALD MCP-PMTs in the high-radiation environment of ALICE

No coração da Europa, sob a fronteira entre a França e a Suíça, uma máquina massiva conhecida como o Grande Colisor de Hádrons colide partículas a velocidades que se aproximam da da luz. Quando essas colisões ocorrem, elas criam uma chuva de novas partículas que voam para fora em todas as direções. Para compreender os blocos fundamentais de construção do universo, os cientistas devem capturar esses fragmentos fugazes e medi-los com extrema precisão. Uma das tarefas mais críticas é determinar exatamente quando uma colisão aconteceu. Se o tempo estiver errado por mesmo uma fração minúscula de segundo, os dados tornam-se um borrão, e a história da colisão é perdida. Para resolver isso, o experimento ALICE, um dos principais detectores no colisor, utiliza um sistema especializado projetado para agir como um cronômetro de alta velocidade. Este sistema baseia-se num fenômeno chamado efeito Cherenkov, que ocorre quando uma partícula carregada se move através de um material transparente mais rápido do que a luz pode viajar através desse mesmo material. Isso cria um lampejo tênue de luz azul, semelhante a um estrondo sônico, mas para a luz. Ao captar esse lampejo com câmeras sensíveis, o detector pode registrar o carimbo de tempo da colisão com uma precisão incrível, na ordem de alguns trilionésimos de segundo.

No entanto, manter essas câmeras funcionando em um ambiente tão violento é um desafio formidável. A área onde as colisões acontecem é inundada por radiação e um fluxo implacável de partículas. Os sensores devem ser sensíveis o suficiente para detectar um único lampejo de luz, mas robustos o suficiente para sobreviver ao serem bombardeados por bilhões de partículas a cada segundo sem se desgastarem. A equipe do ALICE relatou recentemente o desempenho a longo prazo dos sensores específicos que escolheram para este trabalho, conhecidos como tubos fotomultiplicadores de placa de microcanais. Estes são tubos de vácuo preenchidos com milhões de minúsculos canais de vidro que amplificam um único fóton de luz em um sinal elétrico mensurável. Os pesquisadores descobriram que, embora esses sensores se degradem ao longo do tempo devido ao uso intenso, eles podem ser mantidos funcionando de forma eficaz ajustando sua voltagem de operação. Mais surpreendentemente, eles descobriram que os sensores têm uma habilidade oculta de se curar quando a máquina é desligada para manutenção, recuperando parte de sua sensibilidade perdida sem qualquer intervenção humana.

O detector ALICE é equipado com um subsistema chamado Fast Interaction Trigger, que se posiciona muito próximo ao ponto de colisão para monitorar os primeiros momentos de um impacto. Este sistema utiliza cinquenta e dois desses sensores especializados organizados em dois arranjos. Os sensores mais internos enfrentam o tráfego mais intenso, lidando com uma carga de fótons equivalente a duzentos milhões de fotoelétrons por centímetro quadrado a cada segundo. Esta é uma quantidade enorme de corrente elétrica para um dispositivo tão delicado. Para lidar com isso, a equipe selecionou uma versão específica do sensor que não utiliza um revestimento atômico especial destinado a estender sua vida útil, pois esse revestimento teria tornado o sensor fraco demais para suportar a alta corrente. Em vez disso, utilizaram a versão padrão, aceitando que ela envelheceria mais rápido, mas apostando que poderiam gerenciar o desgaste por meio de uma operação cuidadosa.

Ao longo de vários anos de operação, os pesquisadores rastrearam como esses sensores performaram sob o bombardeio implacável. Eles monitoraram a carga elétrica total que passou por cada sensor, uma medida de quanto trabalho o dispositivo realizou. No momento de seu relatório, os sensores mais utilizados haviam acumulado uma carga de dois coulombs por centímetro quadrado. Como esperado, os sensores começaram a perder sensibilidade; as unidades mais desgastadas produziam apenas cerca de quarenta por cento do sinal que produziam anteriormente. No entanto, a equipe encontrou uma maneira simples de compensar essa perda. Ao aumentar gradualmente a voltagem fornecida aos sensores, eles foram capazes de impulsionar o sinal de volta à sua força original. Crucialmente, este ajuste não prejudicou a precisão do tempo. Mesmo com os sensores envelhecidos e operando em voltagens mais altas, o sistema manteve sua capacidade de distinguir entre colisões com uma resolução de tempo de aproximadamente dezessete picossegundos para colisões de prótons e ainda melhor para colisões de íons de chumbo mais pesados. Isso provou que os sensores poderiam sobreviver ao ambiente hostil da região frontal do detector, desde que a equipe estivesse disposta a ajustar as configurações de energia conforme os dispositivos se desgastavam.

O estudo também revelou que nem todos os sensores envelhecem na mesma taxa. Enquanto a maioria dos sensores igualmente iluminados degradou-se a uma velocidade quase idêntica, duas unidades específicas desgastaram-se muito mais rápido que o restante. Os pesquisadores rastrearam isso até o início do experimento, descobrindo que essas duas unidades de envelhecimento rápido já eram os sensores mais ruidosos antes mesmo de serem ligados. Isso sugere que a qualidade inicial do sensor, especificamente seu nível de ruído de fundo, é um forte preditor de quanto tempo ele durará sob uso intenso. Essa descoberta ajuda os cientistas a entender que, embora o ambiente seja hostil, as características inerentes dos componentes individuais desempenham um papel importante em sua sobrevivência.

Talvez a descoberta mais intrigante tenha ocorrido durante os longos períodos em que o colisor ficava desligado para manutenção técnica. Os pesquisadores notaram que, quando os sensores eram deixados no escuro por meses, eles não ficavam apenas ociosos; eles de fato melhoravam. Durante essas pausas prolongadas, os sensores envelhecidos recuperaram espontaneamente cerca de oito por cento de sua sensibilidade perdida. Essa autorrecuperação aconteceu sem quaisquer mudanças no equipamento ou no ambiente, que permaneceu em uma temperatura constante. Os sensores que não haviam envelhecido significativamente não mostraram tal recuperação, indicando que o processo de cura está especificamente ligado ao desgaste que os sensores haviam sofrido. A equipe observou esse padrão consistentemente durante dois desligamentos distintos, cada um durando cerca de 160 dias. Embora o mecanismo físico exato por trás dessa recuperação permaneça um mistério, o efeito é real e mensurável. Sugere que o dano causado pela alta corrente não é inteiramente permanente e que o material dentro do sensor pode parcialmente reparar a si mesmo quando recebe um descanso.

Este trabalho marca o primeiro uso em larga escala desses sensores específicos em um experimento de física de alta energia. Os resultados mostram que, ao escolher o tipo certo de sensor e gerenciar as condições de operação, é possível operar um detector de tempo de alta velocidade em um dos ambientes com maior carga de radiação do mundo. A equipe demonstrou que, mesmo com um envelhecimento significativo, o detector pode manter a precisão temporal necessária para estudar as menores partículas do universo. A descoberta do efeito de autorrecuperação adiciona uma nova camada de esperança para a longevidade desses dispositivos, sugerindo que o desgaste do colisor pode ser menos permanente do que se pensava anteriormente. À medida que o experimento continua, os pesquisadores planejam extrair os sensores mais envelhecidos ao final da atual rodada para estudá-los detalhadamente, esperando finalmente desvendar o segredo por trás de sua capacidade de recuperação. Até lá, os detectores continuam a tiquetaquear, capturando os momentos fugazes de colisões cósmicas com uma resiliência notável.