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06:27 17 Settembre 2019
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Il metodo dei rivelatori di tracce a emulsione (ETD) viene attivamente utilizzato da più di 60 anni nella fisica sperimentale ed è tuttora insuperato per la precisione della misurazione delle traiettorie delle particelle elementari.

Prospettive assolutamente nuove nella sua applicazione vengono ora aperte dal lavoro di una cooperazione internazionale che vede la partecipazione di scienziati russi tra cui i collaboratori dell’Università nazionale di scienza e tecnologia "MISiS" (Università Nazionale di Ricerca Tecnologica “MISiS”).

Principio di funzionamento e storia

Le modalità di azione del metodo ETD possono essere descritte come segue: una particella carica, che viaggia attraverso uno strato di emulsione, lungo il suo percorso “attivizza” cristalli di bromato d’argento, i quali nel processo di sviluppo si trasformano in nanoparticelle (o “granelli”) di argento metallico.

In fisica nucleare, questo metodo venne applicato per la prima volta da Antoine Becquerel, che nel 1896 scoprì la radioattività dei sali di uranio deducendola dall’annerimento che provocavano sulle lastre fotografiche.

Il metodo ETD ottenne un riconoscimento generale dopo l’individuazione del mesone Pi nel 1947 e contribuì a effettuare delle scoperte importantissime nella fisica delle particelle elementari, come quella delle interazioni nucleari tra il pione e il kaone, la stima del periodo di vita del mesone π0 (10-16 с), la scoperta del decadimento del kaone in tre pioni, la prima osservazione delle particelle “incantate” e del decadimento delle particelle “beauty” in “incantate”, e la prima osservazione della nascita di particelle “incantate” nelle interazioni neutriniche.

Un problema essenziale del metodo ETD consiste nella complessità delle misurazioni con l’aiuto di microscopi ottici delle coordinate delle nanoparticelle, le quali vanno a formare la traccia delle particelle. Per decine di anni tali misurazioni sono state effettuate manualmente. L’automazione del processo grazie ai microscopi-robot ha permesso di evitare il pesante lavoro manuale e ha reso possibili applicazioni rivoluzionarie del metodo ETD negli esperimenti DONUT e OPERA.

Il DONUT è stato un esperimento del Fermilab per la ricerca delle interazioni del neutrino tau. Il rivelatore è stato in funzione nel corso dell’estate del 1997 e ha individuato con successo il neutrino tau, fino a quel momento l’unica particella del modello standard (a esclusione del bosone di Higgs) inaccessibile all’osservazione diretta.

Lo scopo principale dell’esperimento OPERA era invece la registrazione del neutrino tau sorto dal neutrino muonico come risultato delle oscillazioni neutriniche. Un fascio di neutrini muonici è stato prodotto al CERN in Svizzera ed è stato inviato ai laboratori del Gran Sasso in Italia. Viaggiando sottoterra per 732 km, il fascio ha raggiunto il luogo in cui era posizionato OPERA, presso cui è stato registrato dal suo rivelatore a emulsione.

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Nel 2010 sono state ottenute le prime dimostrazioni dirette del fatto che i neutrini muonici possono trasformarsi in neutrino tau: ciò conferma l’ipotesi delle oscillazioni neutriniche.

I moderni robot-microscopi

Oggi, nei rivelatori di tracce da molte tonnellate vengono usate milioni di pellicole emulsionate, mentre per la scannerizzazione ottica sono impiegati i microscopi automatizzati (AM).

Poichè la velocità di tali “robo-microscopi” limita l’applicabilità dei rivelatori a emulsione, gli scienziati stanno cercando attivamente il modo di renderli più rapidi e di creare i robot di prossima generazione.

Gli AM nuova generazione sono robot dotati di meccanica ad alta precisione, di ottica ad altissima qualità e di videocamere superveloci: essi operano milioni di volte più velocemente dell’operatore microscopista umano, e lo possono fare per 24 ore al giorno senza stancarsi.

I collaboratori dell’Università Nazionale di Ricerca Tecnologica “MISiS” e dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN, Napoli) hanno dichiarato a "Scientific Reports" di aver elaborato una tecnologia semplice ed economicamente conveniente che permette di aumentare cento volte la velocità di funzionamento degli AM.

Abbiamo intenzione di creare e di testare un prototipo operativo di nuova generazione che sfrutti la tecnologia da noi elaborata di curvatura del piano focale. La velocità elevata di cento volte permetterà ai microscopi di aumentare sensibilmente il volume dei dati da analizzare e di diminuire il tempo impiegato per la loro analisi, senza grosse spese finanziarie - ha dichiarato a RIA Novosti il collaboratore del “MISiS” e dell’INFN Andrej Aleksandrov.

Il crescere della velocità dei microscopi agevolerà gli scienziati in molti campi: nella medicina, nella fisica nucleare, nell’astrofisica, nella fisica dei neutrini, nell’archeologia, nella geologia, nella vulcanologia. Lo sviluppo ulteriore della tecnologia di scannerizzazione ottica completamente automatizzzata e degli AM di nuova generazione consentirà di allargare i confini di applicabilità del metodo ETD e di fabbricare rivelatori che contengano decine di milioni di pellicole di fotoemulsione nucleare.

Credo che la nuova generazione di AM sarà sicuramente a microcamera e che utilizzerà l’inclinazione del piano di fuoco dell’obiettivo. Abbiamo già iniziato ad esplorare la possibilità di utilizzo di fonti laser di luce e di principi di olografia per la creazione della successiva generazione di AM superveloci. Oggi nell’Università di Nagoya in Giappone hanno costruito un microscopio unico nel suo genere, l’Hyper Track Selector con 72 videocamere e con un enorme obiettivo supergrandangolare, che tuttavia utilizza la tecnica scanner tradizionale. Passando invece alla nostra tecnologia, si può raggiungere la medesima velocità di scannerizzazione con appena 14 videocamere e con un obiettivo normale, cosa che abbassa notevolmente i costi - ha detto Andrej Aleksandrov.

Il futuro dei rivelatori: dalla materia oscura all’oncologia

In futuro, gli esperimenti scientifici con rivelatori di questo tipo verteranno sulla ricerca delle particelle di materia oscura, le ricerche sulla fisica dei neutrini, lo studio sulla frammentazione degli ioni per le necessità dell’adronoterapia contro il cancro e della protezione degli equipaggi di missioni interplanetarie dai raggi cosmici.

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I rivelatori a milioni di pellicole di fotoemulsione nucleare esistono già: il rivelatore di OPERA ha circa 9 milioni di pellicole (equivalenti a circa 110mila metri quadrati di superficie). Il prossimo record, probabilmente tra una decina di anni, potrebbe stabilirlo l’esperimento per la ricerca della materia oscura NEWSdm (Nuclear Emulsions for WIMP Search with directional measurement).

Si tratta del primo e per ora unico esperimento per la ricerca delle particelle di materia oscura che utilizza le pellicole nano-emulsionate per la fissazione della direzione dei nuclei di recupero sorti dalla collisione con le particelle di materia oscura (i rivelatori di altri esperimenti simili sono riempiti di gas a bassa pressione).

© Depositphotos / AlexLipa
La sfida reale consiste qui nell’esigenza di elaborare decine di tonnellate di tracciatori nano-emulsionati e di determinare la direzione delle tracce, la cui lunghezza è inferiore al limite di diffrazione degli attuali microscopi. Saranno di aiuto a vincere questa sfida i veloci microscopi automatici grazie alla tecnologia innovativa della super-risoluzione messa a punto dai partecipanti all’esperimento.

Altri esempi di simili esperimenti “del domani” sono il FOOT (Fragmentation Of Target) e lo SHiP (Search for Hidden Particles).

FOOT studia l’interazione dei protoni e degli ioni di carbonio durante il passaggio di fasci nei tessuti del paziente. La conoscenza dei parametri di frammentazione degli ioni è indispensabile per ottimizzare i sistemi di pianificazione dell’adronoterapia contro il cancro e l’elaborazione di nuovi modi di difesa dai raggi cosmici degli equipaggi di future missioni interplanetarie.

Il rivelatore neutrinico dell’esperimento SHiP utilizzerà una quantità maggiore di pellicole emulsionate per lo studio della fisica del neutrino tau e per la ricerca delle particelle di materia oscura leggera che sorgono dalle interazioni dei protoni con l’energia di 400 GeV.

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Ricerca scientifica, Scienza e Tecnica, scienza, Fisica
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