Un sensore fotografico per smartphone trasformato in rivelatore di antimateria segna una svolta nella fisica delle particelle. Il progetto AEḡIS, in corso presso il CERN con il contributo determinante dell'INFN, ha raggiunto un risultato senza precedenti modificando la tecnologia CMOS comunemente utilizzata nelle fotocamere digitali. La capacità di localizzare con precisione nanometrica il punto di impatto di antiprotoni apre nuove frontiere nella verifica di uno dei principi fondamentali della relatività generale di Einstein anche per l'antimateria.
I ricercatori hanno effettivamente "hackerato" un comune sensore di immagine, riprogrammandolo non per catturare luce, ma per rivelare particelle di antimateria. Questo approccio innovativo ha permesso di raggiungere una precisione di rilevamento di 600 nanometri, stabilendo un nuovo record mondiale. Il sensore non solo identifica il punto esatto di impatto degli antiprotoni, ma traccia anche la traiettoria dei frammenti risultanti dall'annichilazione con una risoluzione mai raggiunta prima.
La tecnologia si basa su sensori CMOS con pixel di silicio inferiori al micrometro, gli stessi che troviamo nei nostri smartphone, ma riprogrammati per uno scopo completamente diverso. Questa riprogrammazione permette di studiare con precisione straordinaria il comportamento dell'antimateria, aprendo nuove possibilità per verificare se l'antimateria risponde alla gravità esattamente come la materia ordinaria.
L'utilizzo di un singolo sensore, pur rivoluzionario, presenta limitazioni dovute alle dimensioni ridotte. Per superare questo ostacolo, il team ha integrato 60 sensori Sony IMX686 da 64MP, lo stesso che abbiamo conosciuti anni fa in ROG Phone 5, in un unico dispositivo chiamato OPHANIM (Optical Photon and Antimatter Imager), creando un rivelatore fotografico con un numero record di pixel: ben 3840MP. Questa soluzione combina l'estrema precisione con una superficie di rilevamento sufficientemente ampia.
"Questo sensore rappresenta un vero punto di svolta per osservare la piccola deviazione causata dalla gravità in un fascio di antiidrogeno in movimento orizzontale, e potrebbe avere un impatto significativo più in generale per la fisica delle particelle, soprattutto negli esperimenti dove l'alta risoluzione di posizione è cruciale", spiega Ruggero Caravita, ricercatore INFN presso il TIFPA di Trento e responsabile della collaborazione AEḡIS.
Il confronto con i precedenti record è impressionante: il rilevamento delle particelle in un rivelatore a emulsione raggiungeva circa 300 nanometri (record stabilito dall'esperimento OPERA presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN nel 2008). Il nuovo dispositivo raggiunge una risoluzione praticamente equivalente, ma in modalità elettronica, rendendo i dati immediatamente leggibili senza necessità di sviluppo chimico.
Francesco Guatieri della Research Neutron Source FRM II presso l'Università Tecnica di Monaco, coordinatore della ricerca, sottolinea l'importanza dell'integrazione di multipli sensori:
"Abbiamo creato l'equivalente elettronico di una lastra fotografica, ma con vantaggi significativi in termini di lettura immediata dei dati e possibilità di analisi in tempo reale".
Il risultato, pubblicato il 2 aprile 2025 sulla rivista Science Advances, rappresenta un passo fondamentale verso il principale obiettivo scientifico di AEḡIS: misurare l'accelerazione gravitazionale dell'antiidrogeno per verificare la validità del principio di equivalenza debole di Einstein anche per l'antimateria.
Oltre alla localizzazione precisa degli impatti, Caravita evidenzia un ulteriore vantaggio:
"Grazie a questa straordinaria risoluzione, siamo anche in grado di distinguere diversi tipi di frammenti di annichilazione, frammenti nucleari, particelle alfa, protoni e pioni, il che ci permetterà di fare un salto in avanti nella comprensione delle interazioni tra antiprotoni a bassa energia e materiali".
L'esperimento AEḡIS è uno dei progetti attivi nella Fabbrica di Antimateria del CERN, con l'INFN tra i principali finanziatori. La collaborazione scientifica include gruppi di ricerca del Centro Nazionale INFN TIFPA e dell'Università di Trento, della divisione INFN e dell'Università Statale di Milano, del Politecnico di Milano, della divisione INFN di Pavia e dell'Università di Brescia.
Questo risultato si inserisce nel contesto della collaborazione LEA (Low Energy Antimatter) dell'INFN, che raggruppa le varie attività scientifiche dell'Istituto in questo settore. L'esperimento, da sempre a guida italiana, conferma ancora una volta l'eccellenza della ricerca italiana nel campo della fisica delle particelle e dell'antimateria.