Massimiliano Fiorini coordinerà un ERC Consolidator Grant. Con Unife anche INFN e CERN

Per la prima volta un docente Unife sarà Principal Investigator di un progetto ERC Consolidator Grant, riservato a ricercatori eccellenti dal promettente futuro. Massimiliano Fiorini coordinerà scienziati di Unife, INFN e del CERN di Ginevra. Obiettivo, localizzare singoli fotoni con risoluzioni spazio-temporali mai ottenute in precedenza.

Per la prima volta un docente dell’Università di Ferrara, Massimiliano Fiorini, sarà il coordinatore di un progetto di ricerca ERC Consolidator Grant, finanziamento europeo riservato a ricercatori eccellenti dal solido background scientifico e dal futuro promettente.

Lo European Research Council ha assegnato a Fiorini, ricercatore del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra di Unife e associato con incarico di ricerca dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), un grant di circa 2 milioni di euro. Il fisico ferrarese sarà il Principal Investigator di 4DPHOTON, progetto della durata di 5 anni e che metterà in campo scienziati dell'INFN, di Unife e del CERN di Ginevra.

4DPHOTON (Beyond Light Imaging: High-Rate Single-Photon Detection in Four Dimensions), prevede lo sviluppo di uno strumento innovativo in grado di rivelare fotoni singoli nel tempo e nello spazio (rivelazione in 4 dimensioni) con risoluzioni combinate mai ottenute in precedenza. Il rivelatore sarà in grado di localizzare fotoni con risoluzioni spaziali di alcuni micrometri e risoluzioni temporali di poche decine di picosecondi, con flussi fino a 1 miliardo di fotoni al secondo con un rumore di fondo trascurabile.

“In pratica – spiega Fiorini - sarà come realizzare una macchina fotografica digitale ad altissima risoluzione temporale: una fotocamera normale accumula i fotoni in ogni singolo pixel per un “lungo” intervallo di tempo, mentre il nuovo dispositivo sarà in grado di misurare ogni singolo fotone con precisione temporale di frazioni di miliardesimo di secondo!”

L’obiettivo del progetto

L’acquisizione e l’interpretazione delle immagini sono strumenti fondamentali per effettuare nuove scoperte in molte discipline scientifiche. La natura quantistica della luce impone l’esistenza di un limite ultimo di rivelazione: il singolo fotone. Se fossimo in grado di misurare ogni singolo fotone emesso con grandissima precisione temporale e spaziale allora sarebbe possibile determinare l’informazione completa su una sorgente luminosa. “I rivelatori attualmente disponibili tuttavia non sono in grado di farlo: o hanno risoluzioni spaziali eccellenti ma sono lenti, o sono veloci ma con scarsa risoluzione spaziale, o sono molto rumorosi”, spiega Massimiliano Fiorini. “L’obiettivo di 4DPHOTON è colmare il gap tecnologico esistente: questo rivelatore avrà un grande impatto in tutte quelle discipline in cui è necessario misurare con grande precisione posizione e tempo di singoli fotoni simultaneamente, come, ad esempio, in fisica delle alte energie e in biologia, ma non solo”.

La tecnologia

Il cuore di questo strumento è rappresentato da un circuito integrato sviluppato in tecnologia CMOS a 65 nm, in grado di processare i segnali e di effettuare la misura della posizione e del tempo utilizzando centinaia di migliaia di canali elettronici che lavorano in modo indipendente, producendo un flusso di dati massimo in uscita pari a circa 80 Gbps (equivalente al trasferimento dei dati contenuti in circa 15 CD-ROM ogni secondo).

Nel progetto è prevista l’applicazione del nuovo rivelatore nei futuri esperimenti agli acceleratori di alta energia (ad esempio nella fase ad alta luminosità del Large Hadron Collider del CERN) e permetterà ad esempio di identificare gli adroni carichi se utilizzato in un rivelatore di tipo RICH (Ring Imaging Cherenkov). Con l’aumento di luminosità degli acceleratori e il conseguente aumento del numero di particelle che si accumulano nei rivelatori, l’aggiunta della coordinata temporale a livello di decine di picosecondi è di fondamentale importanza per poter associare le particelle che provengono dallo stesso evento (e che arrivano simultaneamente) e scartare quelle che appartengono a eventi diversi e quindi arrivano fuori tempo.

Inoltre, il rivelatore verrà utilizzato nel campo della microscopia di fluorescenza per esplorare nuove tecniche di imaging, grazie alla combinazione unica delle eccellenti risoluzioni temporale e spaziale in un unico strumento capace di rivelare fotoni singoli ad alto rate. Questo rivelatore verrà utilizzato, ad esempio, per misurare la vita media dei marcatori fluorescenti, e distinguere quindi tra diversi marcatori che abbiano spettri di fluorescenza simili ma diverse vite medie. Inoltre permetterà di studiare l’evoluzione temporale di processi biochimici su tempi scala di decine di picosecondi, aprendo possibili nuovi scenari di ricerca.

Massimiliano Fiorini

Massimiliano Fiorini ha lavorato al CERN di Ginevra come Fellow, poi come postdoc con un cofinanziamento Marie Curie Actions presso l’Université Catholique de Louvain (Belgio), e successivamente come Staff sempre al CERN. È risultato vincitore di un grant “Futuro in Ricerca” del MIUR come co-investigator: rientrato in Italia, lavora attualmente presso il Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università degli Studi di Ferrara e la Sezione INFN di Ferrara.

Sin dalla laurea e dal dottorato in fisica, conseguiti presso l’ateneo ferrarese, Fiorini si è occupato di fisica delle interazioni fondamentali e in particolare dello studio di uno dei problemi irrisolti della fisica contemporanea: la prevalenza della materia sull’antimateria nell’Universo che vediamo.

Ha preso parte agli esperimenti NA48, H8-RD22, NA62 e LHCb presso il CERN di Ginevra, dedicandosi soprattutto allo sviluppo di rivelatori di particelle innovativi. In particolare ha realizzato, nell’ambito dell’esperimento NA62, un rivelatore a pixel di silicio capace di misurare il tempo di passaggio di particelle cariche con 100 picosecondi di risoluzione (progetto Gigatracker). Nell’ambito di LHCb ha sviluppato il nuovo rivelatore RICH che sarà installato al CERN negli anni 2019-2020, basato su rivelatori di singolo fotone ed elettronica veloce e resistente alle radiazioni. Ha ricoperto i ruoli di Run Coordinator per gli esperimenti H8-RD22 e la fase 1 di NA62 al CERN. Dal 2013 è membro dell’esperimento LHCb, ed è recentemente diventato team leader del gruppo ferrarese di LHCb al CERN. È responsabile nazionale dell’esperimento AEQUO, finanziato dall’INFN, che prevede lo sviluppo – in collaborazione con il dipartimento di Morfologia, chirurgia e medicina sperimentale dell’Università di Ferrara - di un apparato per la misura di fotoni visibili emessi in processi di luminescenza per applicazioni biomedicali. È, infine, l’organizzatore locale della International Masterclass, che ogni anno attira a Ferrara circa 160 studenti degli ultimi anni delle classi superiori di varie province e regioni per vivere la giornata tipica di un ricercatore in fisica delle particelle elementari.

Photo credit: CERN.

Nella foto: Ino dei possibili utilizzi del rivelatore, per l'identificazione delle particelle al LHC del CERN