Annientamento su uno smartphone. Matrice telefonica come rivelatore di particelle per il CERN

Un sensore CMOS fotosensibile rielaborato, un componente delle fotocamere degli smartphone, funziona alla grande come rilevatore di particelle, ad esempio per rilevare l'annichilazione dell'antimateria. Questa è una buona notizia: i rilevatori di particelle possono essere più piccoli, più precisi e più economici, ha dimostrato il team del CERN con la partecipazione dei polacchi.

Il team AEgIS del CERN, di cui fanno parte anche fisici polacchi (cern-aegis.pl), stava cercando un modo per determinare con maggiore precisione il luogo in cui è avvenuta l'annichilazione, ovvero la collisione tra materia e antimateria. I ricercatori hanno notato che una matrice CMOS fotosensibile leggermente modificata, utilizzata negli smartphone, è ideale per rilevare tali processi. È più preciso ed economico dei tradizionali rilevatori di particelle, quindi perché non utilizzarlo?

Gli scienziati hanno utilizzato un chip CMOS commerciale, ovvero l'elemento fotosensibile presente nella fotocamera degli smartphone. Questo chip ha una risoluzione molto migliore rispetto ai rivelatori al silicio solitamente utilizzati nei grandi esperimenti. Sembra che per raccogliere in modo efficace informazioni sulle particelle sia sufficiente apportare una piccola modifica. Successivamente, diverse decine di tali elementi sono stati utilizzati per creare una matrice, formando un grande rivelatore. I risultati sono stati pubblicati su Science Advances.

"Il team di ricerca AEgIS ha costruito un rivelatore unico, migliaia di volte più economico dei rivelatori al silicio realizzati appositamente per questo tipo di ricerca. Inoltre, il nostro rivelatore ha una risoluzione molto migliore e consente l'analisi in tempo reale delle collisioni di particelle", ha spiegato il Prof. Mariusz Piwiński dell'Istituto di Fisica dell'Università Niccolò Copernico, membro del team AEgIS.

Nei rilevatori professionali al silicio, una particella ad alta energia, passando attraverso uno strato di un semiconduttore (il silicio), lascia una traccia nella sua struttura elettronica, in modo simile a come un aereo lascia una traccia nel cielo. Analizzando tale traccia, è possibile determinare dove sono avvenute le collisioni e di che tipo di particelle si trattava. Il CERN ha creato enormi database che descrivono l'aspetto delle tracce lasciate nel silicio da varie particelle.

Si scopre che anche le matrici degli smartphone in silicio sono in grado di registrare il passaggio di una particella ad alta energia. E i dati relativi a questa traccia vengono registrati in tempo reale. Inoltre, le tracce lasciate dalle particelle sono le stesse presenti nei rivelatori esistenti. Per sfruttare le funzionalità dei rilevatori "smartphone" non è necessario creare un nuovo database di tracce.

Nei rilevatori esistenti, un singolo pixel quadrato ha una dimensione di circa 30 micrometri. In una matrice CMOS un singolo pixel è più piccolo di 1 micrometro. Sarà quindi possibile registrare gli eventi con ancora maggiore accuratezza.

"Per avere fotocamere sempre migliori negli smartphone, servono matrici sempre migliori. Esiste già una tecnologia ben nota per la produzione di sistemi fotosensibili con pixel minuscoli, basati sul silicio e anche miniaturizzati perché si adattano alla scocca del telefono", ha affermato il Prof. Mariusz Piwiński dell'UMK.

Ha spiegato che le matrici degli smartphone non sono realizzate per rilevare l'annichilazione delle particelle, ma possono essere preparate per farlo. Spiega che, ad esempio, gli elementi che fungono da microlenti vengono applicati sulla matrice dello smartphone. Per esporre l'elemento fotosensibile, gli scienziati hanno dovuto rimuovere questi elementi.

Le dimensioni della matrice sono ridotte: 3,7 mm per 2,8 mm, ma se si dispongono diverse decine di tali elementi uno accanto all'altro, è possibile utilizzare questi elementi per costruire una matrice che ricopra una superficie sufficientemente ampia.

Gli scienziati dell'esperimento AEgIS stanno studiando il modo in cui la gravità influisce sull'antimateria.

Le particelle di antimateria possono essere considerate "immagini speculari" delle particelle di materia. Ad esempio, un elettrone è una particella con carica negativa, e la sua corrispondente particella di antimateria, un positrone, ha la stessa massa e lo stesso spin, ma una carica positiva. Quando questi due oggetti si incontrano, avviene l'annichilazione: la conversione della loro massa in energia sotto forma di fotoni ad alta energia (secondo la famosa formula di Einstein E=mc²).

Nel progetto AEgIS, gli scienziati stanno studiando se l'accelerazione con cui gli atomi di anti-idrogeno cadono sulla Terra – un pianeta composto da materia ordinaria – sia esattamente la stessa dell'accelerazione di gravità per gli atomi di idrogeno. Lo stato attuale delle nostre conoscenze e della nostra tecnologia consente già di creare e testare l'anti-idrogeno in condizioni di laboratorio.

L'idrogeno sta cadendo sulla Terra? Sì, ma nelle condizioni terrestri, nell'aria, le molecole di idrogeno vengono spostate verso l'alto dalle molecole più pesanti di azoto e ossigeno.

Anche se un pallone (o un dirigibile) pieno di idrogeno si solleva in aria, non esce dall'orbita terrestre. E in una camera a vuoto, quando non c'è effetto di galleggiamento, si può osservare che gli atomi di idrogeno in realtà cadono sulla Terra. Gli scienziati vogliono scoprire se gli atomi di anti-idrogeno si comportano esattamente allo stesso modo. Le eventuali differenze osservate potrebbero contribuire a rispondere a molte domande importanti sulla struttura e la presenza della materia nell'universo.

Nel vuoto, gli atomi si muovono lungo percorsi che possono essere descritti con precisione. Pertanto, un atomo di anti-idrogeno rilasciato orizzontalmente in una camera a vuoto di laboratorio, se si comporta come la sua controparte materiale, su una distanza di diversi metri dovrebbe cadere di diverse decine di micrometri a causa della gravità. Naturalmente, tutto dipende in ultima analisi dal tempo di volo, cioè dalla velocità a cui si muoverà. Per noi non è niente, ma per gli scienziati è molto. Sono in grado di registrarlo utilizzando rilevatori precisi. E sono proprio questi rilevatori, dotati di una risoluzione ancora migliore, che servono per verificarlo.

Il Prof. Mariusz Piwiński ha spiegato che finora le matrici CMOS sono state utilizzate per rilevare il sito di annichilazione degli antiprotoni, ma spera che l'idea venga ripresa in altri esperimenti per rilevare l'annichilazione di altre particelle di antimateria.

Ciò potrebbe portare allo sviluppo di rilevatori di particelle più piccoli, più economici e più precisi. Perché i rivelatori di particelle utilizzati al CERN sono così grandi? Questi tipi di esperimenti richiedono rilevatori che raccolgono informazioni sul luogo in cui è avvenuta l'annientamento. E la risoluzione dei rivelatori al silicio è limitata. Per adattare molti pixel attorno al punto d'impatto, è necessario allontanare la matrice dal centro. Se i pixel sono più piccoli (come nelle matrici CMOS), possono essere spostati più vicino al punto di impatto.

Il progetto AEgIS CERN coinvolge scienziati polacchi del Politecnico di Varsavia, dell'Istituto di fisica dell'Accademia polacca delle scienze, dell'Università Niccolò Copernico di Toruń e dell'Università Jagellonica.

Ludwik Tomal (PAP)

lt/ zan/