Antimateria fotografata con risoluzione senza precedenti grazie a sensori smarthpone modificati

I ricercatori e le ricercatrici di AEḡIS hanno sviluppato un’idea innovativa per studiare l’antimateria: hanno “hackerato” un sensore di immagine comunemente utilizzato nelle fotocamere dei telefoni cellulari, normalmente usato per trasformare la luce in ingresso in un’immagine digitale, modificandolo per rivelare le antiparticelle in arrivo. L’uso di questi sensori (chiamati CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor) che hanno pixel di silicio di dimensioni inferiori a 1 micrometro ha portato a risultati senza precedenti.

L’esperimento, infatti, ha stabilito un nuovo record mondiale di risoluzione nella rivelazione delle annichilazioni di antimateria, riuscendo a determinare la posizione dell’impatto degli antiprotoni sulla superficie del sensore con una precisione di 600 nanometri. Oltre al punto di impatto, il sensore ha dimostrato di essere in grado di rivelare la traiettoria dei frammenti risultanti dall’annichilazione con la più alta risoluzione mai raggiunta finora in un rivelatore a pixel.

AEḡIS è uno degli esperimenti attivi nella Antimatter Factory del CERN e vede l’INFN tra i principali finanziatori: ha come obiettivo scientifico la misura dell’accelerazione gravitazionale dell’antidrogeno. Questa misura ha lo scopo di verificare la validità del principio di equivalenza debole di Einstein, uno dei capisaldi della teoria della Relatività Generale, anche per l’antimateria.

“Questo sensore rappresenta un vero e proprio punto di svolta per l’osservazione della piccola deviazione causata dalla gravità in un fascio di antidrogeno che si muove orizzontalmente, e potrebbe avere un impatto significativo anche più in generale per la fisica delle particelle, specialmente in esperimenti dove l’alta risoluzione di posizione è cruciale”, commenta Ruggero Caravita, ricercatore INFN del Centro Nazionale TIFPA di Trento e responsabile della collaborazione AEḡIS. “Grazie a questa straordinaria risoluzione, siamo anche in grado di distinguere le diverse tipologie di frammenti delle annichilazioni, frammenti nucleari, particelle alpha, protoni e pioni, e ci permetterà di fare un salto in avanti nella comprensione delle interazioni tra antiprotoni a bassa energia e materiali”, conclude Caravita.

“Tuttavia, un singolo sensore non è sufficiente per la maggior parte degli scopi, date le sue ridotte dimensioni”, commenta Francesco Guatieri della Research Neutron Source FRM II della Technical University di Monaco, coordinatore della ricerca, “per questo abbiamo integrato 60 di questi sensori in un singolo dispositivo, l’Optical Photon and Antimatter Imager (OPHANIM), ottenendo il rivelatore fotografico con il maggior numero di pixel attualmente operativo: 3840 Mpixel. Questo ci permette di avere sia altissima risoluzione, sia una buona superficie di raccolta delle particelle”.

Il rivelatore realizzato è l’equivalente elettronico di una lastra fotografica. Confrontando la risoluzione di ciascun sensore con il record di tracciamento delle particelle in un rivelatore a emulsione, che si attesta intorno a 300 nanometri (ottenuto dall’esperimento OPERA ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN nel 2008), si osserva che il nuovo dispositivo raggiunge una risoluzione praticamente equivalente, ma in modalità elettronica, rendendo quindi i dati immediatamente leggibili.

L’INFN è tra i protagonisti scientifici e tra i principali finanziatori dell’esperimento AEḡIS, da sempre a trazione italiana, e ora inserito nel contesto della collaborazione LEA (Low Energy Antimatter) dell’INFN, che raggruppa in un unico progetto le diverse attività scientifiche dell’Istituto in questo settore. Della collaborazione scientifica AEḡIS fanno parte gruppi di ricerca del Centro Nazionale dell’INFN TIFPA e dell’Università di Trento, della Sezione dell’INFN e dell’Università Statale di Milano, del Politecnico di Milano, e della Sezione INFN di Pavia e dell’Università di Brescia.