Il progetto FRATERNISE (Facility ad elevata accuRAtezza Temporale pEr espeRimeNti di fISicafondamEntale) [1], [2] è nato a seguito delle pregresse esperienze INRIM nella caratterizzazione metrologica e taratura degli apparati di timing utilizzati per la verifica delle proprietà superluminali dei neutrini da parte della collaborazione Borexino (progetto CNGS, CERN neutrino to Gran Sasso) [3], [4], [5] e nella rivelazione di sciami cosmici estesi e ad altissima energia del progetto EEE (Extreme Energy Events) [6]. 

Obiettivo del progetto FRATERNISE, è quello di realizzare una facility permanente installata presso INRIM dedicata alla caratterizzazione metrologica e taratura di apparati di timing per la Fisica Fondamentale e di ricevitori GNSS utilizzati nel confronto remoto di orologi atomici o scale di tempo. 

Negli esperimenti di Fisica Fondamentale (fisica spaziale, fisica degli acceleratori), infatti, il tempo riveste un ruolo cruciale, consentendo di valutare la marcatura temporale (timing) degli eventi e - da essa - la loro simultaneità, aprendo la possibilità di effettuare deduzioni circa le caratteristiche dei fenomeni osservati. Sempre più spesso, inoltre, diviene necessario correlare tra loro eventi di esperimenti che si sviluppano su grandi distanze o eventi misurati da esperimenti diversi, dislocati in luoghi lontani, che indagano fenomeni simili. 

Il progetto FRATERNISE fornisce un contributo nell’ottimizzazione dei sistemi di timing per questi tipi di esperimenti, garantendo - qualora necessario - la sincronizzazione con la scala di tempo atomica di riferimento italiana, UTC(IT). In aggiunta alla facility permanente, è prevista la realizzazione di unità “viaggianti” con caratteristiche funzionali e metrologiche “personalizzate” e progettate per consentire la taratura di apparati di timing quando non fisicamente trasportabili presso l’INRIM. Una di esse, inoltre, sarà ottimizzata per essere utilizzata anche come stazione di taratura viaggiante dei sistemi GNSS impiegati nei Laboratori di Tempo degli Istituti Metrologici Primari (NMI, National Metrology Institutes) per il confronto remoto di orologi atomici e scale di tempo, nel contesto delle campagne di taratura internazionali organizzate in ambito BIPM/EURAMET. 


La Facility rimarrà operativa oltre la fine del progetto, con l’intento di consolidarne gli scopi, per cercare di divenire sistema efficace e funzionale alla caratterizzazione metrologica degli apparati di timing impiegati in esperimenti di Fisica Fondamentale. Per raggiungere questo obiettivo si è proceduto ad una ricognizione delle necessità di timing della comunità di Fisica delle Particelle ed Astrofisica, entrando in contatto con svariati gruppi di ricerca, al fine di identificare i principali requisiti e driver degli esperimenti ad essi afferenti. 


Nell’ambito del progetto FRATERNISE, infine, sono stati identificati tre significativi case-study, pienamente compatibili e funzionali con gli obiettivi e prospettive del progetto stesso. 



L’esempio più significativo di case-study pienamente coerente con il progetto FRATERNISE è rappresentato da una collaborazione con MUOGRAPHIX, Università di Tokyo e l'organizzazione internazionale Virtual Muography Institute (VMI), nonchè con colleghi affiliati CERN, INFN e CREF (Centro di Ricerca Enrico Fermi). In tale contesto, si è partecipato al primo esperimento di sincronizzazione di orologi a mezzo di muoni prodotti da raggi cosmici relativistici utilizzando un sistema di misura sperimentale realizzato presso i Laboratori dell’Università di Tokyo [7], [8]. I risultati, sebbene ancora ad uno stadio preliminare, risultano particolarmente promettenti, in relazione alle attuali e future necessità e sfide tecnologiche [9], [10], [12]. 


Per maggiori informazioni: CTS INRIM  | CTS UTokyo


 

A seguito dell’esperienza INRIM maturata nel corso degli anni nell’ambito della metrologia del tempo applicata ad esperimenti di Fisica Fondamentale, in seno al progetto FRATERNISE è nato un secondo case-study finalizzato a valutare la possibile realizzazione di un prototipo di rivelatore di muoni, di nuova generazione, innovativo da un punto di vista tecnologico e con caratteristiche metrologiche allo stato dell’arte. Le caratteristiche di innovazione tecnologica riguardano principalmente la metodologia di rivelazione, basata su scintillatori plastici e nuovi materiali, una nuova generazione di SiPM (Silicon Photo Multipliers), così come su di una aggiornata e meno costosa elettronica di gestione. Questo approccio consentirebbe di ridurre i costi di acquisto e gestione del rivelatore, così come di migliorarne la robustezza, l’affidabilità operativa e la sicurezza, rispetto ai tradizionali modelli basati sull’utilizzo di flussi di miscele di gas. Per ciò che riguarda, invece, le caratteristiche metrologiche, esse saranno incentrate principalmente, ma non esclusivamente, su un sistema di timing innovativo e allo stato dell’arte, su un accurato orientamento rispetto al Nord Geografico e sulla stabilizzazione ad elevata accuratezza e precisione in temperatura/umidità/pressione del rivelatore. L’obiettivo di questo case-study è valutare le prestazioni di un prototipo di rivelatori di muoni di nuova generazione, tecnologicamente avanzato e soprattutto ottimizzato da un punto di vista metrologico, nell’ottica di un possibile utilizzo per applicazioni cosmografiche, meteorologiche, di Fisica Medica, nonché per il monitoraggio di beni culturali o sistemi industriali. Questa attività viene svolta in collaborazione con colleghi affiliati CERN, INFN e CREF.


 

I sistemi di navigazione satellitare GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sono attualmente i sistemi maggiormente utilizzati per il confronto remoto di orologi atomici e scale di tempo. Utilizzando sistemi di ricezione ed algoritmi di tipo geodetico, è possibile ottenere prestazioni di sincronizzazione con incertezze nell’ordine del nanosecondo. Queste prestazioni allo stato dell’arte sono pienamente compatibili con le necessità di alcuni esperimenti di Fisica Fondamentale, che richiedano la sincronizzazione dei propri apparati di rivelazione, soprattutto se dislocati su aree particolarmente estese. Purtroppo, l’elevato costo dei ricevitori geodetici per applicazioni di timing tipicamente utilizzati per il confronto remoto di orologi atomici e scale di tempo presso i NMI, non sempre rende queste soluzioni tecnologiche appetibili e praticabili nel contesto di esperimenti di Fisica Fondamentale, quando necessario l’utilizzo di un numero cospicuo di tali ricevitori. 


In tal senso e nel contesto del progetto FRATERNISE, si è avviata – in collaborazione con altri colleghi del Laboratorio di Tempo dell’INRIM – un’attività di ricerca finalizzata ad individuare soluzioni GNSS di tipo mass-market SWaP (Low-Size, Weight, and Power), con prestazioni comparabili a quelle dei ricevitori di punta indicati precedentemente, o comunque adatte alle necessità degli esperimenti di Fisica Fondamentale, a cui il progetto FRATERNISE si rivolge [6], [11]. 


MEMBRI INRIM 


Giancarlo Cerretto, Marco Sellone, Elena Cantoni   |    E-mail: n.cognome(at)inrim.it


FINANZIAMENTI 


Il progetto FRATERNISE ha ricevuto finanziamenti da parte della Fondazione CRT e dalla Banca d'Italia.


  BIBLIOGRAFIA


[1] Il progetto “FRATERNISE”: Facility ad elevata accuRAtezza Temporale pEr espeRimeNti di fISica fondamEntale. In Atti del 108◦ Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica (SIF). Cantoni, E.; Cerretto, G.; Gnesi, I.; Sellone, M.


[2] G. Cerretto, M. Sellone, S. Cavallero. Measuring time to understand the universe. IL NUOVO SAGGIATORE. - ISSN 0393-4578. - 38:2(2022), pp. 53-59. 

[3] B. Caccianiga, P. Cavalcante, G. Cerretto, H. Esteban, G. Korga, M. Misiaszek, M. Orsini, M. Pallavicini, V. Pettiti, C. Plantard and A. Razeto. GPS-based CERN-LNGS time link for Borexino. 2012 JINST 7 P08028 (Journal of Instrumentation, I.F. 1.869). August 2012.


[4] P. A. Sanchez et al: Measurement of CNGS muon neutrino speed with Borexino. Preprint submitted to Physics Letter. B (I.F. 3.955), August 2012.


[5] M. Antonello et al: Precision measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector in the CNGS beam. Preprint submitted to JHEP (Journal of High Energy Physics, I.F. 5.375), September 2012.


[6] G. Cerretto, D. Calonico, E. Cantoni, F. Levi, A. Mura, M. Sellone. Extensive cosmic showers detection: the importance of timing and the role of GPS in the EEE experiment. GPS Solutions, Published online: 10 July 2021. 


[7] H.K.M. Tanaka. Cosmic time synchronizer (CTS) for wireless and precise time synchronization using extended air showers. Nature Scientific Reports. 


[8] H.K.M. Tanaka. Cosmic time calibrator for wireless sensor network. Sci Rep 13, 5951 (2023).


[9] H.K.M. Tanaka, G. Cerretto, I. Gnesi. First experimental results of the cosmic time synchronizer for a wireless, precise, and perpetual time synchronization system, iScience, VOLUME 26, ISSUE 5, 106595, MAY 19, 2023.


[10] G. Cerretto, M. Sellone, E. Cantoni, I. Gnesi. CTS for time metrology: an overview of the current time and frequency metrology best practices and possible perspectives for timing with muons. Presented at Muographers 2022 General Assembly, 2022 December 13-15.


[11] T.T Thai, E. Cantoni, G. Cerretto, F. Fiasca, A. Perucca, M. Sellone, I. Sesia, G.D. Rovera. Characterization of GNSS receivers for timing applications with inaccurate external reference clock or with internal reference. Presented at IEEE IFCS-EFTF 2023,  May 15th-19th, Toyama, Japan.


[12] Tanaka, H.K.M., Bozza, C., Bross, A. et al. Muography. Nat Rev Methods Primers 3, 88 (2023). https://doi.org/10.1038/s43586-023-00270-7.