Avanzamenti nei Sistemi di Timing per la Ricerca sugli Ioni Pesanti

L'Esperimento del Raggio di Stoccaggio Raffreddato (CSR) con obiettivo esterno (CEE) si svolge presso la Struttura di Ricerca sugli Ioni Pesanti a Lanzhou, Cina. Questo posto ha come obiettivo studiare le proprietà fisiche della materia densa quando gli ioni pesanti collidono a livelli di energia elevati. I ricercatori vogliono capire meglio come si comporta la materia in condizioni estreme, come alta densità e temperatura.

Il CEE funge da spettrometro, uno strumento che aiuta gli scienziati ad analizzare le particelle prodotte durante le collisioni tra ioni pesanti. Un componente fondamentale di questo sistema è il sistema di Tempo di volo (TOF), che aiuta a identificare le particelle cariche generate in queste collisioni. Il sistema TOF ha tre parti principali: T0, TOF interno e TOF esterno.

Il rivelatore T0 è responsabile di fornire un inizio preciso per il sistema TOF. Fa questo misurando il momento in cui il fascio di ioni pesanti lo attraversa. Questo articolo parlerà del design, della simulazione e dei test del rivelatore T0.

#L'Importanza del T0

Negli esperimenti come il CEE, gli scienziati vogliono misurare varie caratteristiche delle particelle create durante le collisioni tra ioni pesanti. I dati temporali sono essenziali per capire queste particelle. Il rivelatore T0 deve essere molto preciso, con una risoluzione temporale di meno di 30 picosecondi (ps) per soddisfare gli obiettivi del CEE.

#Design del Rivelatore T0

Il rivelatore T0 utilizza uno Scintillatore plastico sottile per rilevare le particelle. Quando gli ioni attraversano lo scintillatore, depositano energia, facendo sì che lo scintillatore emetta luce. Questa luce viene poi raccolta da fotomoltiplicatori a silicio (SiPM), che convertono la luce in segnali elettrici misurabili.

Per un buon funzionamento, il rivelatore T0 è stato costruito con una piastra scintillatrice che misura 200 mm per 100 mm, con spessori variabili a seconda del tipo di fascio di ioni pesanti. Per catturare la luce emessa in modo efficiente, ci sono due guide luminose attaccate allo scintillatore, che portano a 16 SiPM su ciascun lato.

La scelta dei materiali è fondamentale. Lo scintillatore deve essere abbastanza robusto per resistere alle collisioni ma abbastanza sottile per minimizzare la perdita di energia. Il design consente anche caratteristiche innate che ottimizzano la raccolta della luce per una temporizzazione più accurata.

#Studi di Simulazione

Per valutare l'efficacia del rivelatore T0 prima dei test fisici, sono state condotte simulazioni utilizzando un programma chiamato GEANT4. Questo programma aiuta a modellare come le particelle interagiscono con il rivelatore.

Lo studio ha esaminato i depositi di energia nello scintillatore per diversi ioni pesanti, tra cui carbonio, argon e uranio. I risultati hanno mostrato che ioni più pesanti depositano più energia rispetto a quelli più leggeri. Le simulazioni hanno rivelato importanti intuizioni su come lo scintillatore risponderà in diverse condizioni.

Un altro aspetto chiave della simulazione è stato calcolare il numero di fotoni prodotti quando le particelle interagiscono con lo scintillatore. Queste informazioni sono fondamentali per determinare quanto bene il rivelatore può identificare le particelle in base alla loro temporizzazione.

#Performance Temporale

La performance temporale del rivelatore T0 è una misura di quanto accuratamente può registrare il tempo di inizio delle interazioni delle particelle. Era fondamentale valutare la risoluzione temporale del sistema. Utilizzando un metodo chiamato discriminazione a frazione costante, gli scienziati sono stati in grado di analizzare i segnali ricevuti da ciascun SiPM.

Mediando i segnali da tutti i SiPM, i ricercatori hanno calcolato un tempo di riferimento che indica quando il fascio ha attraversato il rivelatore. I migliori risultati temporali sono venuti dall'uso di una media ponderata, che tiene conto delle risposte variabili di ciascun SiPM.

#Effetti delle Radiazioni

Man mano che gli ioni pesanti attraversano il rivelatore T0, possono danneggiare lo scintillatore nel tempo. È fondamentale studiare come le radiazioni influenzano la performance e la durata del rivelatore. Questa indagine aiuta a garantire che il rivelatore rimanga funzionante durante le prove sperimentali.

I test hanno indicato che dopo un certo livello di esposizione alle radiazioni, lo scintillatore perderebbe la sua efficacia. Per contrastare questo degrado, è stata integrata una piattaforma mobile bidimensionale nel sistema del rivelatore T0. Questa piattaforma consente di regolare il punto di contatto del fascio con lo scintillatore, prolungando così la sua vita utile.

#Elettronica di Lettura

L'elettronica di lettura gioca un ruolo cruciale nel misurare i segnali dai SiPM. Il sistema include un modulo elettronico front-end e un modulo di digitalizzazione temporale per catturare accuratamente le informazioni temporali.

Una caratteristica innovativa dell'elettronica di lettura è un sistema di compensazione della temperatura. Misura e regola i cambiamenti di temperatura che potrebbero influenzare la performance dei SiPM.

#Test del Fascio di Ioni Pesanti

Per garantire che il rivelatore T0 soddisfacesse i requisiti di performance, sono stati condotti ampi test utilizzando fasci di ioni pesanti. Il prototipo è stato testato con un fascio di argon in condizioni controllate, permettendo agli scienziati di osservare come il rivelatore reagisse in condizioni reali.

Durante questi test, è stato registrato il numero medio di fotoelettroni prodotti dai SiPM mentre rilevavano particelle. Questi dati sono cruciali per calcolare l'accuratezza temporale del rivelatore e la sua efficacia complessiva.

#Conclusione

Il rivelatore T0 è un componente essenziale del CEE, fornendo dati temporali critici necessari per analizzare le particelle generate nelle collisioni di ioni pesanti. Attraverso un design attento, studi di simulazione e test rigorosi, i ricercatori hanno sviluppato un prototipo che soddisfa i requisiti severi dell'esperimento.

Il rivelatore T0 ha dimostrato una risoluzione temporale impressionante di meglio di 30 ps. Questa performance è fondamentale per aiutare gli scienziati a capire le proprietà della materia a densità e temperature estreme, contribuendo in ultima analisi ai progressi nella ricerca sulla fisica nucleare.