Phase 2 Upgrade: MIP Timing Detector
A partire dal 2029 LHC entrerà nella sua fase di alta luminosità, High-Luminosity LHC (HL-LHC), che permetterà di raccogliere una quantità di dati 20 volte maggiore di quella del Run 2.
Per ottenere l'alta luminosità necessaria, la densità di protoni dei fasci di LHC sarà incrementata, e il numero di collisioni per incrocio dei fasci (pile-up) aumenterà dal numeor attuale di circa 50 a 140-200 ogni 25 ns. Per operare nelle condizioni di HL-LHC, dunque, CMS avrà bisogno di un significativo upgrade.
Oltre all'upgrade di tutte le sue componenti già esistenti, CMS sarà dotato di un nuovo rivelatore in grado di misurare con estrema precisione il tempo del passaggio di minimum ionizing particles (MIP) dotate di carica, ovvero il MIP Timing Detector (MTD). L'aggiunta della misura del tempo fornirà ulteriori informazioni per ridurre gli effetti del pile-up. Le interazioni in un incrocio dei fasci, infatti, non sono simultanee ma avvengono in un intervallo di tempo di 180-200 ps. L'MTD, con la sua risoluzione temporale di progetto di 30-35 ps, permetterà di sfruttare la coordinata temporale delle particelle provenienti dalle interazioni di LHC per associare le particelle al proprio vertice con maggiore accuratezza, riducendo gli effetti del pile-up.
MTD sarà un rivelatore ermetico che circonderà completamente il tracciatore di CMS. Il progetto proposto sfrutta diverse tecnologie per soddisfare requisiti tecnici quali la resistenza ai campi magnetici e alle radiazioni, la rapidità nella risposta, l'elevata granularità, l'eccellente risoluzione temporale e i requisiti sui costi. La regione centrale del rivelatore (barrel) sarà composta da cristalli scintillanti di LYSO:Ce che producono un segnale luminoso al passaggio di una particella. I segnali luminosi saranno dunque letti da fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), che li tradurranno in un segnale elettrico. Le regioni laterali di MTD (endcaps) utilizzeranno detectors al silicio a basso guadagno (Low Gain Silicon Detectors - LGAD) che forniranno un segnale amplificato della carica di ionizzazione rilasciata dalle particelle cariche incidenti.
Caratterizzazione dei cristalli scintillanti di MTD
La parte centrale di MTD sarà composta di 165000 barre di cristalli scintillanti di LYSO:Ce. Il gruppo di Roma è attualmente impegnato nell'ottimizzazione del design finale dei sensori oltre che in molte attività preliminari alla fase di produzione dei cristalli: caratterizzazione (misura di resa di luce e risoluzione temporale) dei cristalli dei diversi produttori, studio del cross-talk ottico e accoppiamento ottico tra i cristalli di LYSO:Ce e i sensori ottici, oltre che test della resistenza alle radiazioni dei cristalli, che ne prevedono l'irraggiamento.
Tali attività sono svolte presso il laboratorio situato nell'edificio Marconi della Sapienza, con il coinvolgimento di personale accademico, tecnico e studenti.
Test su fascio delle nuove componenti
Le nuove componenti di MTD sono testate nelle facility del CERN con speciali fasci di particelle derivanti dai protoni del Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN.
Simulazione del nuovo rivelatore
Nella fase di alta luminosità, le informazioni raccolte da MTD saranno combinate con i dati dal tracciatore di CMS, in modo da ottenere una ricostruzione dell'evento quadri-dimensionale (tre dimensioni spaziali più il tempo). Al momento sono in studio nuovi algoritmi di machine learning che permetteranno di sfruttare al meglio le potenzialità del nuovo rivelatore di tempo nella ricostruzione degli eventi prodotti da LHC.