Elettronica al silicio per nuovi rivelatori di particelle

RICERCANDO ALL’ESTERO – “Il ruolo culturale della fisica delle alte energia è anche quello di dimostrare che la ricerca di base porta a un progresso tecnologico che non deve essere mai minimizzato. Non c’è solo il bosone di Higgs (di cui sono comunque felicissimo) ma ci sono tante altre ricadute, per esempio in campo medico e nel trattamento dei tumori”.

Nome: Antonello Miucci
Età: 32 anni
Nato a: Bari
Vivo a: Berna (Svizzera)
Dottorato in: fisica delle particelle elementari (Ginevra, Svizzera)
Ricerca: Progettazione di nuovi rivelatori al silicio per applicazioni in ambito medico e in fisica delle alte energie
Istituto: Laboratory for High Energy Physics, Universität Bern (Svizzera)
Interessi: suonare la chitarra, correre, giocare a pallone, cucinare; ho una grande passione per l’elettronica
Di Berna mi piace: il fiume, la città, l’armonia tra la città e la natura
Di Berna non mi piace: niente, mi trovo molto bene
Pensiero: “And all this science I don’t understand. It’s just my job 5 days a week.” (Elton John, Rocket man)

La fisica delle alte energie è un campo complesso che combina l’avanguardia scientifica con quella tecnologica: gli scienziati non solo cercano di comprendere il quadro generale della natura ma si occupano anche dell’ottimizzazione tecnologica e dello sviluppo di nuove componenti elettroniche per i rivelatori di segnali.
Gli acceleratori e i rivelatori di particelle possono, oggi, essere considerati strumenti fondamentali in molti campi della medicina, come la produzione di isotopi per la PET o l’irraggiamento di precisione dei tumori.

Qual è il legame tra diagnostica medica e rivelatori al silicio?

La PET (Positron Emission Tomography) è una tecnica comunemente usata in medicina per fornire immagini funzionali, in grado di evidenziare l’attività di un organo o di un apparato piuttosto che la loro anatomia. Il segnale PET è dato dai due fotoni generati dall’annichilazione di un positrone (proveniente dall’isotopo radioattivo usato come tracciante) e un elettrone. I fotoni emessi hanno direzioni opposte e raggiungono dei rilevatori: quanto più i tempi di arrivo coincidono, tanto più precisa è la misura del punto della loro emissione (e della concentrazione del tracciante, dell’attività dell’organo o tessuto studiato).

Molto spesso, ciò che limita la precisione temporale di un rivelatore è l’elettronica associata. Attualmente si usano rivelatori a scintillazione in cui le funzioni di rivelazione e di lettura del segnale si trovano su chip diversi, cosa che rende la produzione più complessa, costosa e aumenta il materiale da inserire nel detector. E più materiale significa misure meno precise.

Il nostro progetto, chiamato TT-PET (Thin Time-Of-Flight Positron Emission Tomography), si propone invece di creare un nuovo prototipo con un rilevatore al silicio e un’elettronica già integrata. L’obiettivo è abbassare il limite di risoluzione temporale e misurare l’arrivo dei fotoni con una precisione dell’ordine di una decina di picosecondi, quando il record mondiale per la PET è di 600 picosecondi (a livello commerciale). I vantaggi consistono in misure più pulite e con meno rumore di fondo e, soprattutto, in una minore dose di radiazioni cui sottoporre il paziente.

Su che tipo di elettronica state lavorando?

Il rivelatore al silicio consiste in un cristallo abbastanza puro e chimicamente trattato, cioè dopato, con materiali come fosforo e boro affinché il suo funzionamento sia ottimizzato per la rivelazione di particelle. Per poterlo connettere a un’opportuna elettronica, nella tecnologia standard si creano linee di metallizzazione. In TT-PET stiamo cercando di creare un nuovo standard tecnologico basato sulla combinazione di silicio e germanio e su transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) per avere l’elettronica di lettura sul silicio stesso.

Abbiamo testato i primi prototipi: hanno mostrato un’ottima precisione temporale, con circa 100 picosecondi di rivelazione. L’anno scorso, con una nuova famiglia di rivelatori al silicio siamo riusciti a scendere a 30 picosecondi. Ora abbiamo iniziato lo sviluppo del sistema di acquisizione dati e ci stiamo occupando del design della meccanica del rivelatore. Infine siamo in contatto con alcune aziende che stanno integrando lo scanner PET con le macchine di risonanza magnetica in modo da avere una struttura combinata.

Qual è, invece, l’uso di questo tipo di rivelatore nel campo della fisica delle alte energie?

Nel 2023 LHC subirà uno stop di qualche anno per potenziare la struttura e aumentare il numero di collisioni. Questo comporterà un aumento della radiazione di fondo all’interno dell’acceleratore e sarà quindi necessaria un’elettronica e un tipo di rivelatori certificati in grado di sostenere l’alto grado di radiazioni. In particolare, stiamo lavorando sull’esperimento ATLAS e su una nuova famiglia di rivelatori al silicio che conterranno non solo la geometria ma anche le componenti logiche (per esempio transistor cmos) per registrare il segnale: in questo modo, avremo nello stesso oggetto entrambe le funzioni, compreso il primo trattamento del segnale, con la sua discretizzazione e la digitalizzazione.

Grazie al ciclotrone che abbiamo qui a Berna, abbiamo irradiato i nostri dispositivi con un fascio di protoni e i risultati ottenuti dimostrano che la nostra tecnologia è resistente ai livelli di radiazione previsti per il prossimo upgrade.

Ad ATLAS mi occupo anche di analisi dati e sto partecipando alla ricerca di particelle supersimmetriche. Al momento tutte le particelle direttamente osservate sono descritte dal Modello Standard, non ci sono segnali (diretti) di particelle non descritte da questo modello. Ci sono però rivelazioni indirette, non di fisica delle particelle ma di cosmologia, tra cui la materia oscura (dark matter) e l’energia oscura (dark energy) usate per descrivere l’orbita delle galassie. Il punto è che entrambe queste forme (di materia e di energia) non sono state mai osservate e uno degli obiettivi cardine di LHC è riuscire a scoprire qualche nuova particella candidata alla dark energy: sappiamo che deve essere statica e deve interagire poco o nulla con la materia, altrimenti l’avremmo già vista. Purtroppo (o per fortuna) non l’abbiamo ancora fatto: dico per fortuna perché la sfida per la ricerca dei prossimi anni è proprio questa.

La supersimmetria quindi potrebbe colmare le lacune del Modello Standard…

Il modello della supersimmetria potrebbe in effetti spiegare alcuni problemi che, al momento, il Modello Standard manifesta. Per esempio i cosiddetti hierarchy problem, ovvero problemi di previsione di certi comportamenti su scale di energia più alta di quella attuale: in questi casi, la teoria del modello standard non è predittiva.

Un altro problema è che il livello di calcolo del Modello Standard è di tipo perturbativo e presenta, di per sé, alcune divergenze puramente teoriche. Tali divergenze possono essere superate inserendo effetti di ordine sempre più alto, sostanzialmente un’energia limite, che però è un po’ innaturale. Nella struttura della supersimmetria è possibile aggiungere altre particelle che rendono superflua l’introduzione di questa energia limite, o almeno in alcuni modelli. Ma qui la faccenda si fa complicata.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Per i rivelatori per ATLAS, la scommessa è verificare se le eccellenti performance saranno mantenute anche in prototipi più grandi e, soprattutto, vedere se questa tecnologia verrà scelta e inserita in LHC.
Stiamo cercando di creare oggetti davvero impressionanti come dettagli tecnologici. Il messaggio che mi piacerebbe restasse è: non sottovalutate la ricerca.

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