Multigap Resistive Plate Chambers: uno sguardo al futuro

Rivelatori con risoluzioni temporali eccellenti sono di fondamentale importanza sia nella fisica delle alte energie sia nella fisica medica. In particolare, nella prossima generazione di acceleratori (HL-LHC, FCC), rivelatori in grado di raggiungere risoluzioni di poche decine di picosecondi potrebbero essere la chiave per nuove scoperte. Infatti, separare le cento e più interazioni previste a ogni incrocio dei fasci richiederà rivelatori capaci non solo di separare spazialmente i vertici delle interazioni, ma anche di distinguerli in tempo con una capacità di misura "4D". Se per rivelatori destinati a coprire aree limitate ci sono già importanti candidati, come gli Ultra Fast Silicon Detectors (USFD), quali sono le prospettive per rivelatori 4D su grandi aree? Le Multigap Resistive Plate Chambers (MRPC) potrebbero essere dei perfetti potenziali candidati.

Le MRPC sono rivelatori a gas all'avanguardia, con un'eccellente risoluzione temporale e un'efficienza vicina al 100%; pur mantenendo un basso costo e facilità di costruzione. Tutte queste caratteristiche hanno reso le MRPC dei rivelatori di ampio utilizzo anche per coprire vaste aree. Un esempio di applicazione è il rivelatore a tempo di volo (TOF) dell'esperimento ALICE, che ha da poco raggiunto una risoluzione temporale record di 56 ps su un’area sensibile di 144 m² (un campo di pallavolo!). Questo risultato comprende anche l’intera elettronica e il jitter dovuto ad altre variabili sperimentali; la risoluzione temporale intrinseca delle MRPC si stima essere inferiore ai 30 ps.

Nonostante le già eccellenti qualità delle MRPC, i ricercatori del gruppo R&D della collaborazione ALICE-TOF dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), dell'Università di Bologna e del Centro Fermi di Roma hanno voluto proseguire la ricerca su questo tipo di rivelatore, sia per migliorarne la già eccellente risoluzione temporale sia per aumentarne la tolleranza ad alti flussi di particelle, in vista dei futuri acceleratori. Al CERN di Ginevra hanno quindi progettato, costruito e caratterizzato delle camere MRPC con questi obiettivi.

Per quanto concerne la risoluzione temporale, vi sono già studi che dimostrano la possibilità di migliorarla fino a valori inferiori ai 20 ps; ciononostante, i ricercatori del gruppo R&D di ALICE-TOF hanno cercato di semplificare il design al fine di poterne mantenere le altre ottime caratteristiche e permetterne l'utilizzo su vaste aree. Sono riusciti a superare questa sfida? Il prototipo costruito è risultato essere perfettamente funzionante, anche se ulteriori misure ad hoc sono necessarie per studiarne la risoluzione intrinseca.

Per quel che riguarda le prestazioni delle MRPC in termini di frequenza di conteggio, ossia la loro rate capability, questa è oggigiorno oggetto di diversi studi di ricerca e sviluppo; per esempio infatti, le MRPC del rivelatore ALICE-TOF hanno una rate capability sino a circa 1 kHz/cm². Si vorrebbe però puntare a decine di kHz/cm². Sarebbe importante poter passare a materiali con resistività volumetrica inferiore rispetto quella del vetro attualmente in uso, ma fino a oggi le soluzioni proposte hanno avuto problemi di affidabilità e riproducibilità. Il nuovo design recentemente ideato dai ricercatori coinvolti nel progetto si è concentrato sull'aggiunta di uno strato di vernice sugli elettrodi interni delle MRPC, onde ottenere una resistività minore, senza complicare l'attuale design. I primi risultati, a confronto con quelli di una MRPC standard, danno una risposta positiva mostrando notevoli miglioramenti per alte frequenze di conteggio. Questi risultati, estremamente promettenti, sono solo il primo passo e c’è ancora un ampio margine di miglioramento lungo questa strada verso l'obiettivo 4D.