Il percorso “Un viaggio dalla collisione alla pubblicazione scientifica” costituisce una guida per la comprensione dei passi che portano dalla raccolta dei dati durante un esperimento alla pubblicazione dei risultati scientifici. Parti integranti di una misura e dell’analisi dei dati in fisica sono concetti di elettronica e informatica, presentati nel percorso in modo sequenziale.
percorso a cura di A. Gozzelino
In un esperimento, i rivelatori forniscono informazioni sulle particelle prodotte nel fenomeno fisico oggetto di studio (collisioni fascio-fascio, collisioni fascio-bersaglio, emissioni da sorgenti radioattive, …). La particella prodotta nella collisione, interagisce con il materiale del rivelatore provocando la generazione di cariche libere. Per poterle osservare, esse devono essere separate (ed eventualmente moltiplicate) attraverso l'applicazione di campi elettrici, e raccolte su uno o più elettrodi. L'effetto finale del passaggio della radiazione nel materiale del rivelatore è quindi la generazione di un impulso (di corrente o di tensione) in un circuito elettrico collegato agli elettrodi del rivelatore stesso. Tra le innumerevoli particelle prodotte nella collisione, l’evento di interesse fisico è definito da una sequenza di segnali nei rivelatori in un dato intervallo di tempo. Ad esempio, gli strumenti rivelano due fotoni e una particella α allo stesso istante. Ogni rivelatore fornisce il segnale della particella partecipante all’evento. Le caratteristiche notevoli dei segnali sono la linea di base (il livello di tensione o corrente in assenza di segnale), la polarità degli impulsi (positiva, negativa, bipolare), l’ampiezza (la distanza tra il massimo del segnale e la linea di base, la larghezza a metà altezza, i punti di inizio e fine dell’impulso, i tempi di salita e discesa (tempo in cui il segnale passa dal 10% al 90% della sua ampiezza e viceversa). Ciascuna delle caratteristiche dell’impulso generato nel rivelatore può essere significativa, dalla sua mera presenza ai dettagli della sua ampiezza o forma.
La figura 1 mostra un esempio di segnali elettronici. Il segnale trigger informa che deve iniziare l’acquisizione; il segnale di gate comunica che l’acquisizione è in corso; il segnale di ready indica che l’acquisizione è terminata; il segnale di busy fornisce un’indicazione sul tempo morto, ovvero sul tempo in cui il sistema non può ricevere eventi di fisica. Di solito, i segnali trigger, gate, ready, busy sono onde quadre di ampiezza secondo gli standard di elettronica e durata fissata.
Figura 1: Esempio di segnali elettronici di un sistema di acquisizione: dall’alto verso il basso i segnali sono trigger (giallo), gate (rosa), ready (azzurro), busy (verde).
I segnali elettronici consentono quindi di acquisire gli eventi di fisica e vengono trattati dall’elettronica direttamente connessa al rivelatore definita di Front-End. Nella figura 2 è rappresentato un tipico esempio di catena elettronica di trattamento dei segnali. Il segnale proveniente dal rivelatore è collegato ad un preamplificatore di carica posto il più vicino possibile al rivelatore per evitare perdite di energia dovute a cablaggi e connessioni in generale. Il preamplificatore trasforma la carica raccolta, cioè il numero di elettroni che vengono creati, in un segnale elettrico di ampiezza proporzionale alla carica stessa. Il segnale di uscita del preamplificatore passa all’amplificatore, che riduce il rumore elettronico e varia la sua ampiezza di un fattore di guadagno regolabile. Il segnale amplificato, a forma di campana, è trattato da un Analog to Digital Converter (ADC). L’ADC converte il segnale da analogico a digitale, ovvero restituisce una sequenza di bit (0/1); le sequenze di bit popolano un istogramma degli eventi, ovvero uno spettro. Il PC acquisisce lo spettro, oggetto di analisi del fisico.
Figura 2: Esempio di catena elettronica con tipologia di segnali in uscita da ogni unità, fino allo spettro.