Una partícula entra en una lámina de silicio como un mensajero en una ciudad desconocida: no solo debe entregar la señal, sino también dejar un registro exacto de la hora de su visita. El sensor tridimensional sobre el chip Timepix4 registra esa hora con una precisión de 245 picosegundos y señala el lugar de encuentro con un margen de error de apenas 7 micrómetros. Ese mapa de la ciudad se logró construir en un haz de partículas del CERN, donde el sensor fue irradiado con hadrones de 180 GeV de energía.

La ciudad está organizada de forma inusual: en lugar de calles planas, en el silicio se han dispuesto columnas de electrodos que entran por ambos lados. Cuando una partícula incide entre ellas, genera una carga que se reparte entre los píxeles, como una multitud que se dispersa por callejones. Pero no todos los barrios son igual de buenos: cerca de las propias columnas el campo es no uniforme y allí el tiempo se mide peor. Resultó que si se consideran solo las incidencias entre electrodos, la resolución mejora hasta 153 picosegundos, mientras que en las superficies, donde no hay columnas enfrentadas, cae a 720 picosegundos para partículas individuales.

Para sortear esos barrios muertos, el sensor se inclinó 8 grados. Así las partículas lo atravesaban en ángulo, la eficiencia de detección superó el 99% y la resolución temporal mejoró otro 6%, hasta 233 picosegundos. La precisión espacial alcanzó entonces 7 micrómetros, comparable al grosor de una telaraña. El truco funciona porque la inclinación alarga la trayectoria de la partícula y la carga se distribuye entre un mayor número de píxeles.

¿Y por qué es importante? El futuro colisionador de alta luminosidad hará chocar partículas con tanta frecuencia que en cada evento nacerán varias colisiones a la vez. El detector debe distinguir qué partícula proviene de cada colisión, y para ello se necesita un tiempo mejor que 50 picosegundos. Por ahora, 245 picosegundos son solo un paso hacia la meta, pero el trabajo ha mostrado dónde se pierde exactamente la precisión. Eso significa que hay que cambiar la geometría de los electrodos, no solo el chip.

Hoy estos resultados ya ayudan a elegir la forma de los electrodos para el detector de vértices LHCb Upgrade II. Ese mensajero que entró en la ciudad desconocida ahora sabe qué barrios evitar para entregar la señal a tiempo. Y el mapa de esos barrios no se ha dibujado al azar, sino a partir de datos de un haz real de partículas.