Neutrini, robotica e visione artificiale

Un’applicazione tutta italiana che contribuisce, grazie anche a National Instruments, a far luce sui neutrini.

La notizia che darebbe i neutrini più veloci della luce di circa 60 nanosecondi promette, se confermata, di aprire scenari rivoluzionari a correzione del modello standard elaborato per spiegare l’Universo. Dopo i clamori suscitati dal comunicato ufficiale dell’esperimento OPERA presso il CERN di Ginevra e da successive note rilasciate dai principali mezzi di informazione, la sfida della verifica dei risultati si è ufficialmente aperta. Misurazioni indipendenti e diverse dello stesso fenomeno sono già in atto nella collaborazione OPERA e verranno condotte al più presto anche da altri centri di ricerca a livello internazionale.

L’esperimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) condotto nei laboratori dell’ INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) del Gran Sasso a 1400 metri di profondità è stato progettato per catturare e misurare le cosiddette “Oscillazioni di Neutrini” prodotte dagli eventi di interazioni del fascio di neutrini prodotti dall’acceleratore del CERN e indirizzati verso i laboratori sotterranei INFN del Gran Sasso. Il rivelatore OPERA ha una struttura modulare fatta da cosiddetti “Mattoni” e consente di osservare e fotografare i neutrini man mano che questi vengono prodotti e catturati.

Il rilevatore si compone di 62 pareti contenenti un numero totale di 155.000 mattoni per un peso complessivo di 1.500 tonnellate. Ciascun mattone è realizzato a sua volta alternando 56 strati di foglio di piombo dello spessore di un millimetro ed emulsione fotografica nucleari Fuji Films. É grazie a questi mattoni che gli eventi fotografati possono in seguito essere analizzati dai ricercatori. L’elevata sensibilità della pellicola fotografica delle emulsioni nucleari di ogni singolo mattone richiede la massima cautela in ogni azione. Per questo motivo uno speciale sistema robotizzato – Brick Assembly Machine (BAM) – è stato scelto per la movimentazione di precisione degli strati ad un ritmo di circa 800 mattoni al giorno (oltre 46000 lastre di emulsioni nucleari) per un periodo totale di 18 mesi. La massima accuratezza è richiesta, in un secondo momento, anche per la scansione dei fogli di emulsione fotografica che registrano il tracciamento delle particelle prodotte dalle interazioni dei neutrini nel mattone.

“Il sistema era stato originariamente progettato sulla base di robot ‘ciechi’, ovvero privi di sistemi di visione”, ammette Salvatore Buontempo, dirigente di ricerca sezione INFN Napoli, coordinatore tecnico dell’esperimento OPERA fino al 2008 e coordinatore del progetto BAM fino ad ultimazione della produzione dei mattoni nel gennaio 2009.
“Questo ha comportato un netto disallineamento dei mattoni con conseguente difficoltà nella ricostruzione dei fenomeni fino a quando si è deciso di provvedere con la realizzazione di un sistema di imaging preciso e a basso costo – anche per tenere sotto controllo l’impatto del fattore costi in un progetto già molto dispendioso,” continua Buontempo.

Per ottenere l’accuratezza di allineamento necessaria di 0,05 mm (50 micron) delle lastre di emulsioni nucleari è stato necessario modificare la linea di assemblaggio esistente con un sistema di visione artificiale in grado di fornire un feedback correttivo ai robot durante il montaggio, come anche di registrare l’errore residuo di posizionamento di ciascuna pellicola di emulsione. L’applicazione di elaborazione immagini sviluppata dall’italiana ImagingLab ha rappresentato una sfida per i seguenti requisiti finali: adattare la soluzione alla macchina esistenze, una risoluzione superiore a 5 micron – in particolare sull’apparecchio di ripresa dello spigolo del mattone – e un’elevata stabilità dal punto di vista meccanico. Il software di elaborazione delle immagini, realizzato da ImagingLab con il linguaggio di programmazione grafica LabVIEW e la libreria IMAQ VISION di National Instruments, esegue una serie di misure, come la posizione del bordo della pellicola, l’allineamento e la verticalità della pila e l’identificazione di errori in fase di assemblaggio. Il sistema di acquisizione immagini integra due fotocamere CCD ad alta risoluzione con 5 Compact Vision System di National Instruments.
“Abbinare la potenza di NI LabVIEW e degli strumenti di visione NI con l’expertise di ImagingLab ci ha permesso di progettare e testare l’intera applicazione in meno di tre mesi,” commenta Ignazio Piacentini, Ceo di ImagingLab.

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