ASTRA

Il Progetto STRONG-2020

Gli studi teorici e sperimentali sull'interazione forte, su cui pone le fondamenta il Modello Standard (MS) della fisica delle particelle, attrae in Europa una comunità attiva di circa 2500 ricercatori. La lista di questioni ancora aperte all'apice della presente conoscenza in questo campo è ancora piuttosto lunga ed include la piena comprensione di a: la struttura tridimensionale del protone; la spettroscopia degli adroni e i loro stati esotici; Le proprietà del plasma caldo e denso quark-gluoni; studi sulla precisione de MS. Questi argomenti di ricerca sono studiati in via sperimentale principalmente mediante collisioni di particelle a basse (scala dei GeV) e alte (fino a 14 TeV) energie. Questo tipo di esperimenti richiede continui sviluppi nello stato dell'arte dei sensori, dei sistemi di acquisizione, di fasci e target, così come della teoria che sta alla loro base.

Il Progetto STRONG-2020, definito come "European Integrating Activity for Advanced Community", è stato recentemente approvato dalla Comunità Europea nell'ambito del programma quadro di ricerca ed innovazione Horizon 2020. Il progetto si basa su un'organizzazione strutturata col fine di fornire risposte alle domande ancora aperte negli studi sull'interazione forte, sia sperimentali che teoriche, partendo e tentando di andare oltre i precedenti progetti Hadron Physics HP, HP2 e HP3, condotti durante i programmi quadro FP6 e FP7.

STRONG-2020  riunisce assieme molti dei gruppi di ricerca e delle infrastrutture leader che sono attualmente coinvolte nella ricerca di frontiera sull'interazione forte. Il progetto fornisce l'accesso transnazionale di sei infrastrutture europee di prima calsse a livello modiale, complementari fra loro per caratteristiche dei fasci: COSY, MAMI, LNF-INFN, ELSA, GSI, CERN. Fornisce inoltre accesso virtuale ai codici open-source e agli strumenti di automazione/simulazione. STRONG-2020 incoraggia la sinergia fra ricercatori teorici e sperimentali, supportnado le attività dell'European Centre for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Areas (ECT*, Trento).

STRONG-2020 è un Consorzio che include 44 istituzioni partecipanti di 14 Paesi Membri EU, una International EU Interest Organization (CERN) e una nazione candidata EU (Montenegro). Insieme alle istituzioni ospitanti di altri 21 paesi, che partecipano alle attività senza benefici EU, STRONG-2020 coinvolge la ricerca allinterno di 36 diverse nazioni. Il progetto è strutturato in 32 Work Packages (WP): Project Management and Coordination, Dissemination and Communication, 7 Transnational Access Activities, 2 Virtual Access Activities, 7 Networking Activities e 14 Joint Research Activities. Fra questi c'è ASTRA.

I Risultati di STRONG-2020 avranno un significativo impatto nello studio dell'interazione forte e del MS. Il progetto contribuirà anche alla ricerca fondamentale che va oltre il MS, con un impatto anche in altri settori scientifici come l'astrofisica e le teorie dei sistemi complessi fortemente accoppiati nella materia condensata. Gli strumenti e le metodologie per i nuovi esperimenti all'avanguardia sviluppati all'interno di STRONG-2020 forniranno aggiornamenti per le infrastrutture di ricerca europee, megliorando la loro competitività. Le tecnologie sviluppate impatteranno anche nel campo della medicina (strumenti di diagnostica, trattamenti per tumori) e dell'industria (telecamere per la scansione lineare, tecnologia per magneti 3D) a potrebbe portare miglioramenti anche nel campo dell'informatica e del machine learning.

STRONG-2020 promuoverà le attività di formazione e di educazione, anche per studenti e postdoc, fornendo in questo modo personale qualificato per il mercato del lavoro, nonchè attività di divulgazione allo stato dell'arte per la comunicazione della scienza.

Obiettivi di ricerca di ASTRA 

Il principale obiettivo del progetto ASTRA è quello di sviluppare sistemi di rivelazione (detector) di radiazione ultra-veloci, che vadano oltre dell'attuale stato dell'arte, per misurazioni ad alta precisione di eventi che coinvolgono raggi X e gamma in un ampio range di energia e capaci di operare in diverse condizioni. Lo sviluppo di sistemi di rivelazione (detector) di radiazione che siano avanzati e performanti in termini di risoluzione temporale, efficienza, stabilità, linearità risoluzione energetica, compattezza e validazione, è obbligatorio nell'ambito della fisica degli adroni. Questo tipo di sistemi permetterà di effettuare misure mai fatte in precedenza proprio a causa della mancanza di detector adatti al compito. Queste misure avranno un forte impatto nella comprensione delle leggi fondamentali della natura.

Il tellururo di cadmio (CdTe) e il tellururo di cacmio e zinco (CdZnTe) sono un materiali semiconduttori molto promettente per la rilevazione di raggi X e gamma. L'elevato numero atomico dei materiali (Z_Cd=48, Z_Te=52) fornisce un'efficienza quantica molto maggiore di quella del silicio. La maggiore band-gap di energia (Eg∼1.5 eV, rispetto al silicio che ha Eg∼1.1 eV) permette di utilizzare questi detector a temperatura ambiente. Purtroppo, ad oggi, un elevata charge loss fa si che questi detector abbiano una risoluzione ridotta. Recentemente sono stati fatti significativi passi avanti nel campo di questa tecnologia per migliorare le proprietà spettroscopiche e di risoluzione temporale, soprattutto grazie ai miglioramenti nella produzione dei cristalli e nella progettazione di elettrodi e di elettronica di read-out digitale.

Grazie ad una vasta collaborazione internazionale, in ASTRA verranno sviluppati sistemi di rilevazione avanzati a base di CdZnTe, sia per quanto riguarda il sensore in sè che l'elettronica di read-out verso il DAQ, per ottenere misure di radiazione spettroscopiche e ad alta precisione in un ambiente con elevata radiazione e in un ampio spettro di energie (da poche decine di keV fino ai MeV). Per il range di energie più elevato verrà utilizzato CdZnTe, lavorando a temperatura ambiente e con l'obiettivo di raggiungere una risoluzione di 1 keV (FWHM) a 200 keV. Per le energie più basse (5-20 keV) ed intermedie (20-5 keV) raffredderemo il dispositivo a -10°C per provare ad ottenere una risoluzione migliore di 500 eV (FWHM) e 700 eV (FWHM) rispettivamente. Sebbene queste risoluzioni siano leggermente inferiori a quelle ottenute con detector al Si o detector HPGe, saranno raggiunti migliori valori di timing e sarà possibile lavorare ad alto rate rimanendo in condizioni di lavoro prossime alla temperatura ambiente.

Lead partner institution:

• Stefan Meyer Institute for Subatomic Physics, OeAW, Vienna, AUSTRIA (Johann Zmeskal)

Participant institutions:

• Istituto Materiali per Elettronica e Magnetismo, CNR, Parma, ITALY (Andrea Zappettini)
• Jagiellonian University, Krakow, POLAND (Pawel Moskal)
• Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) – INFN, Frascati, ITALY (Alessandro Scordo)
• Politecnico Milano, Dipartimento di Elettronica, Milano, ITALY (Carlo Fiorini)
• University of Zagreb, Zagreb, CROATIA (Damir Bosnar)