Al CERN, vicino a Ginevra, le particelle più piccole si scontrano con le energie più elevate per rispondere alle grandi domande sull'universo. I rivelatori che osservano le collisioni di particelle hanno costantemente bisogno di essere aggiornati. Lea Caminada e il suo gruppo di ricerca sulla fisica delle alte energie presso l'Istituto Paul Scherrer PSI svolgono un ruolo importante in questo senso.
In uno spazioso laboratorio al terzo piano di un nuovo edificio proprio accanto all'Istituto Paul Scherrer si trova una metà del rivelatore che ha rilevato il bosone di Higgs. Nel 2012, questa particella elementare, ricercata da decenni, è stata confermata sperimentalmente al CERN, facendo la storia della fisica delle particelle.
La leggendaria particella è stata scoperta grazie al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, un acceleratore di particelle sotterraneo lungo 27 chilometri. Nel tunnel dell'LHC vengono sparati protoni altamente accelerati per misurare i prodotti di decadimento di queste collisioni esplosive di particelle. L'LHC continua a essere utilizzato per chiarire le domande sulla fisica fondamentale del nostro universo. E deve stare al passo con i tempi: "Ogni pochi anni, gli enormi rivelatori devono essere aggiornati", spiega Lea Caminada, responsabile del Gruppo di Fisica delle Alte Energie presso il Centro di Ricerca sui Neutroni e Muoni del PSI. "Tra l'altro, perché le particelle ad alta energia che i rivelatori dovrebbero registrare danneggiano inevitabilmente la loro elettronica nel corso degli anni", spiega il fisico.
Per misurare con precisione le minuscole particelle sono necessari dei colossi: all'LHC sono in funzione quattro enormi rivelatori. Uno di questi si chiama "Compact Muon Solenoid", o CMS. Questo rivelatore, costruito a cipolla, ha un diametro totale di quindici metri. Lea Caminada si è occupata della costruzione di CMS e dei risultati sperimentali che fornisce praticamente fin dall'inizio.
La parte più interna di CMS, il rivelatore cilindrico di pixel, ha la forma di un rotolo di biscotto leggermente sovradimensionato: è lungo circa cinquanta centimetri, è composto da tre strati di elettronica dorata e lucente e da molti cavi. È stato sviluppato e costruito al PSI, con Lea Caminada già coinvolta come dottoranda. Nel 2017, questo primo rivelatore di pixel a cilindro è stato smontato e sostituito da un successore a quattro strati, anch'esso progettato e in parte costruito dal gruppo di Caminada. Il rivelatore cilindrico originale è stato diviso longitudinalmente in due metà; una è ora conservata come reperto nel laboratorio di Caminada nel nuovo Parco dell'innovazione svizzero Innovaare, accanto al PSI.
Il CMS rimarrà in uso nella sua configurazione attuale fino alla metà del 2026. Poi è previsto un importante aggiornamento dell'intero LHC: Il numero di collisioni di particelle sarà ulteriormente aumentato e, in questa occasione, molti componenti dei rivelatori saranno nuovamente sostituiti con parti nuove e tecnologicamente migliorate.
Tappi di chiusura contro il punto cieco
Nel 2030, l'LHC sarà rilanciato con il nome di "High-Luminosity LHC". Molti gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno attualmente lavorando ai singoli nuovi componenti di CMS, che saranno installati durante la fase di conversione dal 2027 al 2030. Questa volta, il gruppo di Caminada non è responsabile del prossimo rivelatore a pixel cilindrico, ma dei componenti a forma di disco che saranno installati verticalmente davanti e dietro il rivelatore cilindrico.
"Questi dischi formano quello che chiamiamo il rivelatore di fine corsa del tracker", spiega Caminada. "Questa sarà una parte completamente nuova del rivelatore CMS. Ci permetterà di seguire le tracce di particelle che si trovano nel punto cieco del rivelatore precedente". I vari decadimenti di particelle che potrebbero verificarsi durante le collisioni protone-protone nell'LHC sono attesi a diversi angoli spaziali. Se si cerca nuova fisica, bisogna guardare dove nessuno è ancora riuscito a guardare.
I 16 dischi rotondi del rivelatore tracker end-cap hanno ciascuno un diametro di 50 centimetri e saranno dotati di moduli di rivelazione al silicio sia sul lato anteriore che su quello posteriore.
"Per coprire tutte queste aree in modo completo, avremo bisogno di circa duemila moduli rivelatori identici", spiega Caminada. I moduli rettangolari sono più piccoli del palmo di una mano. Sono componenti elettronici molto complessi che devono essere lavorati con estrema precisione per funzionare in modo affidabile. "Dopo l'aggiornamento, l'intero rivelatore rimarrà in funzione per diversi anni, e in questo periodo non potremo rimuovere nulla o effettuare riparazioni". È come mandare una sonda nello spazio: durante il funzionamento si perde ogni accesso fisico ai componenti. E ogni probabilità di errore, per quanto piccola, accettata per un singolo componente, aumenta di un fattore duemila per l'intero rivelatore, in corrispondenza dell'elevato numero di moduli.
Due anni per la produzione dei moduli
Amrutha Samalan inserisce con cura un modulo dopo l'altro negli appositi incavi di una scatola bianca cablata. "Negli ultimi anni abbiamo analizzato e testato diversi prototipi di moduli per fornire un feedback ai progettisti dei moduli su eventuali problemi improbabili, ma comunque rilevanti, dovuti all'elevato numero di unità", spiega il postdoc, che lavora nel gruppo di Lea Caminada da quasi due anni. La fase di progettazione è stata completata. È in corso la pre-produzione.
Pre-produzione significa che i ricercatori stanno utilizzando un piccolo numero di moduli per verificare se ogni fase della produzione funziona bene e se il risultato è esattamente quello previsto. In questa fase, inoltre, stimano il tempo necessario per le fasi di produzione, in modo che tutto possa essere scalato in seguito. Dei circa duemila moduli necessari, poco meno della metà viene assemblata al PSI durante la fase di produzione vera e propria. I moduli restanti saranno prodotti dagli altri partecipanti a un consorzio europeo secondo il concetto sviluppato al PSI. Insieme, avranno due anni di tempo per produrre i duemila moduli.
"Stamattina ho effettuato il wire bonding di alcuni moduli su questa macchina". Samalan indica una scatola grande quanto un uomo al centro del laboratorio. "Scrive i nostri collegamenti elettronici programmati sul modulo, un po' come fa una macchina da cucire con i fili".
Segue un'accurata ispezione visiva: i primi piani di ogni singolo modulo vengono controllati per verificare la presenza di errori sullo schermo.
Otto moduli vengono poi messi insieme in una scatola fredda, la scatola bianca che Samalan ora assembla. "È qui che eseguiamo una parte importante del controllo di qualità: possiamo controllare con precisione la temperatura e l'umidità nella scatola e verificare se i sensori, i chip di lettura e i pixel sono tutti privi di errori", spiega il fisico. I ricercatori calibrano anche tutti i pixel del rivelatore e i loro canali in questa scatola fredda. Ogni singolo modulo ha più di mezzo milione di pixel. Con una risoluzione spaziale di appena dieci-quindici micrometri, saranno in grado di tracciare con precisione i percorsi delle particelle nel rivelatore CMS.
Abbiamo già contribuito allo sviluppo di diverse generazioni di questo rilevatore e conosciamo tutte le fasi, dalla progettazione e installazione del chip all'analisi dei dati.
Pianificare la generazione successiva
Un piano più in alto, nello stesso edificio, Wolfram Erdmann ha appena avuto una riunione con alcuni colleghi. Anche lui è un dipendente del gruppo Caminada. È il responsabile del progetto internazionale per la progettazione, la pianificazione e la costruzione del rilevatore della testata del tracker. "Dopo l'aggiornamento, questa sarà la parte più grande del rivelatore di pixel di CMS in termini di superficie", dice con un leggero senso di orgoglio.
Erdmann mantiene i contatti con gli altri gruppi di ricerca del consorzio presso le università di Zurigo, Amburgo, Helsinki in Finlandia, Santander in Spagna, Vilnius in Lituania e Zagabria in Croazia. "Qui al PSI sviluppiamo molti componenti e molti processi che vengono poi duplicati in queste altre sedi", spiega Erdmann. Le casse frigorifere, ad esempio.
Il PSI è membro dell'esperimento CMS dal 1998. "Si tratta di un impegno significativo che richiede competenze straordinarie", afferma Caminada. In quanto acceleratore più grande e potente del mondo, l'LHC è essenziale per il loro campo della fisica delle particelle. La vicinanza geografica è benvenuta: "È molto pratico per noi che la Svizzera sia il Paese ospitante del CERN", dice Erdmann.
Il gruppo di ricerca di Caminada è anche coinvolto nell'analisi dei dati forniti dal rivelatore CMS. "Abbiamo già contribuito allo sviluppo di diverse generazioni di questo rivelatore e conosciamo l'intera catena di passaggi, dalla progettazione del chip all'installazione e alla valutazione dei dati", riassume Erdmann. "È una cosa piuttosto straordinaria tra le istituzioni coinvolte".
L'analisi dei dati del rivelatore con tappo terminale, ora in produzione, è prevista per l'inizio del 2030. La fisica delle particelle comporta una pianificazione su lunghi periodi di tempo. Di conseguenza, alcuni ricercatori stanno già pensando al prossimo aggiornamento. "Ne stavo parlando con i miei colleghi poco fa", sorride Erdmann. I ricercatori vogliono investire soprattutto nella risoluzione temporale del rivelatore.
Il fisico non trova insolito che Erdmann e altri ricercatori stiano già ricevendo risorse per queste considerazioni. Lo sa bene grazie alla sua esperienza pluriennale: "È relativamente facile pensare alle cose. La parte complessa è costruirle dopo".
