RSD, Resistive AC-Coupled Silicon Detectors, è un progetto finanziato dalla Commissione Scientifica Nazionale 5 dell’INFN che ha l’obiettivo di progettare, produrre, testare e ottimizzare una nuova generazione di rivelatori allo stato solido capaci di tracciare le particelle in quattro dimensioni (4D-tracking) portando al 100% il cosiddetto fill-factor, ovvero il rapporto fra l’area attiva del sensore e quella totale.

Questo obiettivo è raggiungibile grazie al principio dell’accoppiamento capacitivo (AC-coupling) del segnale tra sensore ed elettronica di lettura, accoppiamento che si realizza in corrispondenza degli ossidi di passivazione depositati sul sensore in fase di fabbricazione. A tutto ciò viene combinata la scelta di utilizzare un elettrodo altamente resistivo – realizzato tramite uno strato con opportuno drogaggio di tipo-n – in grado di congelare le cariche che costituiranno il segnale per un tempo di scarica sufficiente alla sua lettura in AC.

Descrizione del principio che sta alla base dei rivelatori RSD. (a) Modello circuitale equivalente del readout RSD. (b) Sezione di un generico sensore n-in-p al quale è stato aggiunto uno strato n++ (opportunamente resistivo) ed un ossido (capacitivo), che consente di trasferire il segnale agli elettrodi per induzione delle cariche congelate nello strato resistivo. (c) Modello circuitale semplificato.

Contrariamente a quanto comunemente impiegato nelle tecnologie attuali, tale disegno consente di fare totalmente a meno della segmentazione delle aree attive – e quindi di tutte le strutture di isolamento fra i pixel – in favore invece di una segmentazione della sola geometria di readout. Scorrelare questi due aspetti consentirà dunque di ottenere fill-factor del 100%, massimizzando l’efficienza di rivelazione, l’accettanza geometrica dei sensori e consentendo inoltre di raggiungere i requisiti imposti da condizioni di alti pile-up e alta sovrapposizione di tracce per bunch-crossing attese nei più grandi esperimenti di fisica delle alte energie, come in high-luminosity LHC (HL-LHC) al CERN di Ginevra.

Gli RSD consentiranno inoltre di ottenere un tracciamento nelle tre dimensioni spaziali, grazie alla segmentazione dei contatti di lettura, e al tempo stesso permettono anche di misurare con altissima precisione il tempo di arrivo delle particelle (la risoluzione temporale è tipicamente di poche decine di picosecondi). Questo risultato lo si deve al fatto che gli RSD sono basati sul principio degli LGAD (Low-Gain Avalanche Detectors), nei quali un alto campo elettrico interno consente di ottenere guadagni sufficientemente bassi da amplificare il segnale senza deteriorare il rapporto signal-to-noise (S/N ratio). Inoltre gli RSD, se opportunamente ottimizzati, promettono di dare un importante contributo anche alla rivelazione di particelle e alla caratterizzazione dei fasci in alcuni campi della fisica applicata, come ad esempio alla medicina o ai beni culturali, essendo la massimizzazione del fill-factor e il 4D-tracking due paradigmi cruciali in molte discipline, dal particle counting all’imaging.

Recenti test di laboratorio sul primo lotto di sensori, denominato RSD1, hanno dimostrato l’elevata precisione nella misura contemporanea di posizione e di tempo di arrivo delle particelle. In particolare, alcuni esemplari mostrano ottime proprietà di tracciamento in 4D, con una risoluzione spaziale e temporale rispettivamente di 2.5 micron e 13.9 picosecondi (https://arxiv.org/abs/2003.04838), ai limiti delle attuali frontiere tecnologiche.

Dal punto di vista scientifico e organizzativo, il responsabile nazionale del progetto RSD è il Dott. Marco Mandurrino dell’INFN di Torino, esperto in fisica dello stato solido, dispositivi elettronici e simulazioni numeriche. Il gruppo RSD, inoltre, si avvale di una solida collaborazione con la Fondazione Bruno Kessler (FBK) di Trento per ciò che concerne la produzione dei sensori, e del gruppo UFSD (Ultra-Fast Silicon Detectors) presso l’INFN di Torino, dove ha sede il relativo laboratorio di testing e caratterizzazione dei sensori. Il progetto RSD ed il suo principal investigator, inoltre, sono inseriti attivamente nella Collaborazione RD50 del CERN di Ginevra per quanto riguarda lo sviluppo di rivelatori di particelle resistenti alle radiazioni.

E’ tra gli obiettivi del progetto RSD, inoltre, che i prototipi fabbricati vengano caratterizzati dal punto di vista delle prestazioni su fascio, tramite opportuni test-beam presso la North Area del CERN, nonchè in termini di radiation-hardness, grazie a campagne di irraggiamento da svolgersi in collaborazione con lo Jozef Stefan Institute (IJS) di Lubiana.