Impatto delle radiazioni sul calorimetro a piastrelle durante la Run 2 del LHC

L'esperimento ATLAS al Large Hadron Collider (LHC) è un grande esperimento di fisica delle particelle progettato per esplorare varie domande fondamentali sull'universo. Un componente cruciale di questo esperimento è il Tile Calorimeter (TileCal), che misura l'energia di particelle come gli adroni. Quando queste particelle interagiscono con il rivelatore, possono causare un po' di usura, specialmente a causa della Radiazione. Questo articolo copre uno studio su come l'strumentazione ottica del TileCal ha resistito alla radiazione durante il Run 2 dell'LHC, dal 2015 al 2018.

#Cos'è il Tile Calorimeter?

Il Tile Calorimeter è il pezzo centrale che misura l'energia delle particelle prodotte nelle collisioni all'LHC. È composto da diversi strati di scintillatori plastici e acciaio che lavorano insieme per assorbire l'energia delle particelle in arrivo. Quando una particella colpisce lo scintillatore, produce un lampo di luce, che viene poi raccolto da speciali fibre ottiche e inviato a fotodetettori per la misurazione.

Immaginalo come un "diner" high-tech dove ogni particella è un cliente, e le piastrelle scintillatrici sono i camerieri che servono luce invece di cibo. Ogni cameriere raccoglie mance (segnali luminosi) in base a quanto bene fa il suo lavoro.

#Componenti Ottici a Rischio

Come puoi immaginare, lavorare con collisioni ad alta energia significa che il TileCal affronta tanta radiazione. Gli scintillatori e le fibre ottiche possono subire danni se esposti a questa radiazione nel tempo. Lo studio ha esplorato come questi componenti hanno resistito alle condizioni dure dell'LHC.

Le fibre ottiche, responsabili della raccolta della luce dagli scintillatori, sono un po' come gli ospiti a una festa che assorbono le migliori storie da conversazioni vivaci. Se la festa dura troppo a lungo, potrebbero iniziare a dimenticare i momenti migliori.

#Calibrazione e Monitoraggio

Per tenere traccia di quanto bene funziona il TileCal, sono in atto vari sistemi di calibrazione e monitoraggio. Questi includono:

• Fonti radioattive di Cesio: Queste forniscono luce costante per controlli di calibrazione.
• Sistemi laser: Questi aiutano a monitorare la risposta dei rivelatori.
• Eventi di minimo bias: Questi sono eventi casuali che aiutano a valutare le prestazioni complessive.

Pensa a questi sistemi come a controlli regolari al diner per assicurarti che tutti i camerieri stiano ancora servendo il cibo correttamente. Se un cameriere inizia a slaccare, la gestione deve saperlo!

#Raccolta Dati

I dati per questo studio provengono dal periodo del Run 2, che va dal 2015 al 2018. Le misurazioni effettuate durante questo tempo miravano a valutare come l'output luminoso dei componenti ottici cambiava a causa dell'esposizione alla radiazione.

Le misurazioni hanno rivelato che più tempo i piastrelli trascorrevano sotto radiazione, più il loro output luminoso iniziava a lampeggiare, proprio come le luci che diminuiscono di intensità di un diner man mano che la notte avanza.

#Risultati dello Studio

Le prestazioni del TileCal variavano tra i suoi strati. Lo strato A più interno è stato colpito più duramente dalla radiazione, terminando il Run 2 con una perdita di circa il 10% nell'output luminoso. Altri strati hanno subito danni molto minori, rimanendo spesso entro l'1% delle loro prestazioni originali.

Si scopre che lo strato A stava quasi implorando una pausa dopo una lunga notte a servire energia! Nel frattempo, gli altri strati sono riusciti a mantenere il loro gioco.

#Scintillatori Gap e Crack

Oltre ai segmenti regolari, ci sono scintillatori gap e crack speciali, che hanno affrontato condizioni ancora più dure. Gli scintillatori gap hanno mostrato circa un 12% di perdita nell'output luminoso, ma i contatori crack erano le vere "drama queen", subendo perdite del 20% e 30% per i loro rispettivi tipi.

La breakroom del diner era chiaramente un posto caotico, e questi contatori chiedevano un serio restyling in vista del Run 3.

#Scintillatori Minimum Bias Trigger

I Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS), che aiutano con il trigger e il timing degli eventi, hanno subito un’usura significativa. I contatori interni di questo sistema hanno quasi perso il 90% della loro risposta luminosa dopo aver accumulato una dose particolarmente pesante di radiazione durante il Run 2.

Come se non bastasse, sono stati sostituiti per il Run 3 poiché avevano visto giorni migliori, proprio come un cuoco affaticato in un diner affollato.

#Ambiente di Radiazione

L'ambiente di radiazione all'LHC è influenzato dalle collisioni ad alta energia che creano una varietà di particelle secondarie. Circa il 50% di queste particelle vengono prodotte nell'area in cui opera il TileCal, anche se contribuiscono solo circa l'1% dell'energia totale di collisione.

Immagina un angolo di strada affollato dove tutti stanno chiacchierando, ma solo alcune conversazioni sono abbastanza forti per essere udite.

Sono state utilizzate simulazioni per stimare la dose totale di ionizzazione (TID) subita dai materiali scintillatori, rivelando che alcune aree hanno ricevuto una dose molto più alta di altre.

#Modelli di Degrado

Con i dati raccolti, i ricercatori hanno creato modelli per capire come i componenti ottici si degraderebbero nel tempo sotto radiazione. Questi modelli consentirono di estrapolare le prestazioni future, preparando un ambiente più intenso previsto per i futuri run.

È come prevedere quanto sarà affollato il diner durante l'estate basandosi sulla clientela dell'anno scorso.

#Proiezioni Future

La Fase di Alta Luminosità dell'LHC dovrebbe fornire ancora più radiazione, con un aumento previsto della luminosità istantanea di un fattore sette. Questo significa che il TileCal dovrà comportarsi al meglio o rischiare di subire seri danni.

Le future condizioni di “ristorazione” sembrano intense, e i camerieri devono essere pronti per il grande afflusso!

#Conclusione

In sintesi, lo studio dell’strumentazione ottica del Tile Calorimeter durante il Run 2 dell'LHC ha fornito preziose informazioni su come la radiazione impatta le prestazioni di questi componenti critici. I dati raccolti e i modelli sviluppati aiuteranno a garantire che il TileCal rimanga robusto, anche mentre affronta nuove sfide nella Fase di Alta Luminosità.

Mentre il diner si prepara per il suo prossimo grande turno di servizio, la cucina deve essere rifornita dei migliori materiali per garantire che ogni cliente esca felice, anche se questo significa alcuni nuovi camerieri luccicanti e alcuni menu aggiornati!