Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE

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2 Università degli Studi di Trieste Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Tesi di Laurea Specialistica in Fisica Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE Laureando: Massimo VENARUZZO Relatore: Prof. Paolo CAMERINI Correlatore: Dott. Giacomo-Vito MARGAGLIOTTI Anno Accademico 2005/2006

3 mail to: Febbraio Dipartimento di Fisica, Trieste.

4 Ai miei genitori

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6 Indice Introduzione 1 1 La Fisica dell esperimento ALICE La materia adronica Transizione alla fase di QGP Lo schermaggio di colore Evidenze sperimentali del QGP Soppressione della produzione di J/ψ Ripristino della simmetria chirale Aumento della stranezza Perdita di energia nel mezzo Emissione di radiazione γ diretta L esperimento ALICE Il programma sperimentale di ALICE Le condizioni sperimentali L apparato sperimentale di ALICE Il sistema di tracciamento interno (ITS) I compiti dell ITS Le prestazioni dell ITS Gli strati dell ITS Costruzione dei rivelatori a microstrip di silicio SSD Generalità Proprietà di base del silicio La giunzione p-n I sensori a doppia faccia I rivelatori SSD di ALICE L elettronica di lettura: il chip Hal Il ladder L elettronica di front-end: le EndCap Il sistema di acquisizione FEROM Caratterizzazione dei moduli SSD i

7 3.7.1 Grandezze caratteristiche Il software di test Risultati I sensori ITC I sensori Canberra I sensori Sintef Il difetto Sintef Moduli con corrente anomala Il sistema di alimentazione del rivelatore SSD Caratteristiche generali Descrizione generale Il Branch Controller Mod. A1676A Connessione A1676A - EASY Scheda di alimentazione A Scheda di alimentazione A Sviluppo e test Test di risposta su singola scheda Test di alimentazione su singolo modulo Test di alimentazione su ladder Il sistema di accettazione Montaggio e test del rivelatore SSD Test di ladder in fase di montaggio Test di ladder in configurazione finale Test di ladder montati su cono Conclusioni 97 A Moduli Sintef e contro-tensione 99 B Test Alimentatori 103 C Test Alimentatori su ladder 113 Bibliografia 121 Ringraziamenti 125 ii

8 Introduzione Obiettivi di questo lavoro di tesi sono lo studio e la caratterizzazione dei rivelatori a microstrip di silicio (Silicon Strip Detector, SSD) che compongono i due strati più esterni del Sistema di Tracciamento Interno (ITS) per l esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Scopo di ALICE, la cui attività sperimentale inizierà alla fine del 2007, è lo studio approfondito, in condizioni energetiche mai raggiunte prima, di una nuova fase della materia, il Plasma di Quark e Gluoni (QGP) e dunque muovere i primi passi in un fisica completamente nuova. La tesi è articolata in quattro capitoli: Il primo capitolo introduce brevemente il concetto di QGP come risultato di una transizione di fase, soffermandosi su quelle che si ritiene, saranno le evidenze sperimentali testimonianti la sua comparsa. A tal proposito, particolare rilievo sarà dato ai risultati degli esperimenti, svolti ed alcuni tutt ora in corso, che hanno permesso di conseguire le prime informazioni ed evidenze sul plasma di quark e gluoni. Il secondo capitolo esporrà il programma sperimentale di ALICE, soffermandosi su una breve descrizione dei rivelatori che ne compongono l apparato, con attenzione particolare per il Sistema di Tracciamento Interno. Il terzo capitolo è dedicato allo studio dei moduli a microstrip di silicio SSD, nelle diverse fasi prima del montaggio sui ladder (strutture di sostegno a traliccio in fibra di carbonio). In particolare si illustreranno le diverse fasi di test e produzione nonché le principali problematiche da essi evidenziate e come sono state affrontate e risolte. Il quarto capitolo è invece rivolto allo studio del sistema di alimentazione dell intero rivelatore SSD. Saranno illustrati gli studi di sviluppo e prototipaggio degli alimentatori, le caratteristiche dei prototipi realizzati, la fase di sviluppo ed ottimizzazione del loro comportamento con test sia su singolo modulo che su ladder. Il quinto ed ultimo capitolo analizza il periodo conclusivo della realizzazione del rivelatore SSD. In particolare si pone l attenzione sui test eseguiti sui ladder sia in fase di montaggio che di alloggiamento sul cono e sulle problematiche emerse e sulla loro soluzione. 1

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10 Capitolo 1 La Fisica dell esperimento ALICE L esperimento ALICE è stato concepito allo scopo di verificare l esistenza e di studiare le caratteristiche di una nuova fase della materia in condizioni di elevata densità e temperatura. Secondo le teorie formulate al riguardo e i risultati degli esperimenti più recenti, tale fase può essere descritta come un plasma di quark e gluoni liberi (QGP), con caratteristiche molto simili a quelle della materia dell Universo primordiale, pochi microsecondi dopo il Big Bang. Si prevede che nelle condizioni sperimentali in cui opererà ALICE tale fase sopravviverà per un tempo dell ordine di 10 f m/c (ovvero s). Ciò ne renderà impossibile l osservazione diretta. Le ricerche dunque si concentreranno sull osservazione e sulla descrizione di alcuni fenomeni fortemente legati all esistenza di questa fase, che potranno essere utilizzati come prove della sua comparsa e come preziose fonti di informazioni a riguardo. Nella prima parte di questo elaborato descriveremo i processi che caratterizzano la transizione di fase dalla materia adronica nello stato ordinario fino al plasma di quark e gluoni, per poi mettere in luce gli aspetti più significativi del nuovo stato fisico raggiunto e fornire una breve panoramica sulle sue evidenze sperimentali. 1.1 La materia adronica La materia nucleare è costituita da nucleoni legati assieme da una forza a corto raggio d azione chiamata f orza nucleare f orte [1]. In natura, tale materia costituisce sistemi dotati di volume intrinseco, detti nuclei atomici, e semplificabili in oggetti sferici; risulta possibile definire una densità nucleare che può essere considerata con buona approssimazione costante al variare del numero atomico ed il cui valore è ρ 0 = 0.17 fm 3. La teoria che studia le interazioni forti è la Cromodinamica Quantistica (QCD): essa identifica gli adroni come stati legati di quark. I quark sono considerati alla stregua di oggetti puntiformi e confinati all interno del relativo adrone di appartenenza da un potenziale legante; esso è linearmente dipendente dalla distanza che separa i quark interagenti e può essere descritto dalla formula 3

11 1.2. Transizione alla fase di QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE V (r) σr (1.1) ove σ rappresenta l energia per unità di lunghezza di separazione. Data la forma di questo potenziale, nell ambito di questa teoria il quark non può essere concepito come oggetto isolato, in quanto sarebbe necessaria un energia infinita per isolarlo, ovvero allontanarlo a distanza infinita da ogni altro quark; risulta quindi impossibile suddividere un singolo adrone nei suoi costituenti. In questo senso si parla di conf inamento dei costitutivi adronici. Accanto ai quark, all interno della materia nucleare sono presenti i gluoni, che sono considerati i mediatori dell interazione forte. I gluoni (J P = 1 ) hanno massa a riposo nulla, ma in ogni istante si possono scindere generando coppie di quark-antiquark o possono a loro volta essere ricreati dalla fusione di una coppia. Tale moltitudine di quark, prodotti e annichiliti come particelle virtuali nel campo della forza forte, costituisce il cosiddetto mare e il valore medio dei suoi numeri quantici è nullo. I quark che invece contribuiscono ai numeri quantici delle particelle sono detti quark di valenza: in base al loro numero, gli adroni si dividono in barioni, con 3 quark, e mesoni, con 2 quark. Poiché i quark sono dotati di spin semintero risulta che i barioni sono fermioni mentre i mesoni sono bosoni. I diversi tipi di quark sono chiamati sapori: essi vengono distinti in quark up, down, charm, strange, top e bottom; sono caratterizzati dai numeri quantici di sapore, isospin e carica elettrica che cambiano di segno per i rispettivi antiquark. Poiché i gluoni, mediatori dell interazione forte, sono ciechi al sapore, le interazioni forti non cambiano i numeri quantici di sapore. I quark, che con i gluoni sono chiamati collettivamente partoni, sono dotati inoltre di una particolare carica: il colore. Tale proprietà è necessaria per assicurare che gli adroni rispettino il principio di Pauli: essa rappresenta un ulteriore numero quantico che può assumere tre valori, chiamati per convenzione rosso, verde e blu (r, g, b); analogamente gli antiquark sono dotati di anticolore r, ḡ e b. Con il colore, dunque, gli adroni acquistano un ulteriore grado di libertà, in quanto possono essere costituiti da diverse combinazioni di quark, a patto che la loro carica di colore totale sia neutra: i barioni sono composti da tre quark di colori diversi, i mesoni da un quark e da un antiquark di relativo anticolore. Il colore sarà di capitale importanza nella descrizione dei fenomeni che caratterizzano la transizione della materia nucleare dallo stato adronico a una nuova fase. 1.2 Transizione alla fase di QGP Supponiamo a questo punto di aver a disposizione un gran numero di nucleoni e di iniziare a comprimerli: inizialmente essi sono ancora distinguibili e preservano la loro identità di adroni nonostante l aumento di densità. Proseguendo nella compressione, attorno ad un densità pari a 10 volte la normale densità nucleare, i nucleoni cominciano a sovrapporsi e ogni quark può interagire con una moltitudine di altri quark presenti nelle immediate vicinanze. A questo punto, il quark osservato non è più legato ai quark Pag. 4 Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE

12 1.2. Transizione alla fase di QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE appartenenti ad un particolare adrone, come avveniva all interno della materia nucleare a densità standard, ma si trova in uno stato di deconfinamento. In questa situazione il concetto stesso di adrone perde significato: a densità estreme, possiamo ragionevolmente supporre di trovarci di fronte ad una nuova fase della materia i cui costituenti fondamentali sono i quark deconfinati. Un analogo effetto di deconfinamento può essere ottenuto aumentando la temperatura del sistema: pur mantenendo la densità barionica costante, l elevata energia a disposizione provoca l eccitazione delle particelle e ne aumenta la frequenza degli urti al punto da rendere impossibile l assegnazione del partone ad un particolare adrone. Il deconfinamento può essere dedotto anche dall osservazione della forma della costante di accoppiamento dell interazione forte α s. Tale costante, infatti, dipende in realtà dalla distanza d di separazione fra i quark: a distanze molto piccole, l accoppiamento si annulla asintoticamente. Nel limite d 0 i quark possono dunque essere considerati come particelle libere: si parla in questo caso di libertà asintotica. Quando invece d diventa grande, l accoppiamento diventa talmente forte da rendere impossibile l estrazione di un quark singolo dai nucleoni. La fase raggiunta attraverso i processi qui schematicamente descritti, in cui quark e gluoni si muovono liberamente, è stata chiamata plasma di quark e gluoni (QGP ). Una volta raggiunto l equilibrio, esso può essere descritto, dal punto di vista termodinamico, tramite l equazione di Stefan - Boltzmann (Eq. 1.2) che mette in relazione l energia interna E di un sistema, occupante un volume V, con la sua temperatura con θ = 1300 GeV fm 3. E V = θt 4 (1.2) Per energie di 1 GeV (scala tipica per un barione) e densità ρ = 10ρ 0, la 1.2 porta alla determinazione di una temperatura critica T c (ricordiamo che temperatura ed energia sono legate dalla relazione E = kt con k la costante di Boltzmann) per la materia adronica T c 0, 2 GeV (1.3) Tale valore è stato proposto, per la materia interagente tramite la forza forte, come soglia critica oltre la quale si ha la transizione di fase verso il QGP [2]. La compressione della materia nucleare può essere raggiunta tramite un urto nucleo - nucleo che data la brevità del processo (2-5 f m/c), da luogo ad una compressione praticamente adiabatica dei nuclei partecipanti. L energia fornita per singolo nucleo ed il numero di nucleoni pienamente coinvolti nell interazione, determinano la dimensione del sottovolume nel quale il rilascio di energia è maggiore e dove quindi può aver luogo il deconfinamento. Inoltre, secondo la termodinamica relativistica, riscaldare la materia adronica porta alla produzione di particelle e di conseguenza, ad un aumento della densità. Pertanto, la materia fortemente interagente presenta un diagramma di fase T vs ρ ρ 0, ove T è la temperatura e ρ ρ 0 è la densità in rapporto a quella della materia nucleare standard. Nel piano T ρ ρ 0 si individua una curva limite per la materia adronica, al di là della quale la densità assume valori talmente elevati da non permettere l esistenza di adroni. Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE Pag. 5

13 1.3. Lo schermaggio di colore Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE Si possono riassumere e visualizzare le considerazioni appena fatte con il diagramma riportato in Figura 1.1. Figura 1.1: Diagramma di fase per la materia nucleare: in ascissa la densità barionica, in ordinata la temperatura del sistema (doppia scala logaritmica). Le frecce indicano il percorso seguito dalla materia sul piano ρt in alcuni processi: il raffreddamento dell universo, circa 1 µs dopo il Big Bang (Early Universe); la compressione a temperatura T 0 dovuta al collasso gravitazionale nelle stelle a neutroni (Neutron Stars); gli urti fra ioni pesanti ultrarelativistici realizzati nei collisionatori AGS, SPS, RHIC e, in futuro, in LHC. La fascia grigia rappresenta il dominio, in termini di energia e densità adronica, entro il quale si dovrebbe avere la transizione di fase. Esso mostra l esistenza delle diverse fasi della materia in funzione della temperatura e della densità adronica. La materia adronica ordinaria si trova nella regione di bassa temperatura e bassa densità (dell ordine di ρ fm 3 ). Aumentando la densità di energia attraverso il riscaldamento del sistema (quindi muovendosi lungo l asse delle ordinate) o la sua compressione (lungo le ascisse), la materia entra in una fase di risonanze adroniche. Un ulteriore aumento della densità di energia provoca un altra transizione, conducendo la materia ad assumere le caratteristiche del plasma di quark e gluoni. Gli urti tra ioni ultrarelativistici (ovvero con energie per nucleone superiori a 10 GeV) realizzati in un collisionatore adronico, generano un sistema caratterizzato da un alta temperatura e una bassa densità barionica, con caratteristiche molto simili a quelle possedute dalla materia dell universo primordiale, alcuni microsecondi dopo il Big Bang. Durante il processo di formazione delle stelle di neutroni, ove gli adroni sono fortemente compressi fino a raggiungere densità molto alte a causa del collasso gravitazionale, si suppone invece che sia ugualmente raggiunta la fase QGP pur mantenendo una temperatura vicina allo zero. 1.3 Lo schermaggio di colore Andiamo ora ad approfondire l effetto dell alta densità partonica sulle interazioni tra quark. Abbiamo già accennato alla forma del potenziale legante dei quark V QCD (r) σr (1.4) ove σ è la densità di energia per lunghezza di separazione. La condizione secondo cui esistono libere solo particelle incolori prende il nome di conf inamento. Nel caso elettromagnetico, il potenziale coulombiano fra due particelle di segno opposto corrisponde ad un campo di dipolo, le cui linee di forza si propagano in tutto lo spazio; nel caso dell interazione forte il termine σr conduce invece ad un cosiddetto tubo di flusso, ossia le linee di forza sono tese e addensate tra i quark e l energia del campo cresce linearmente con la distanza. I quark sono dunque confinati all interno dell adrone ed esso non può separarsi nelle sue componenti colorate in quanto, come già accennato, questo processo richiederebbe Pag. 6 Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE

14 1.3. Lo schermaggio di colore Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE Figura 1.2: Esemplificazione della distribuzione delle linee di forza a) per un campo di dipolo tra due cariche elettriche e b) tra due quark. un energia infinita. In realtà ciò che accade è la rottura del tubo di flusso se la sua dimensione supera una certa soglia specifica (tipicamente quando la separazione tra quark raggiunge il valore di 1-2 f m). In tal caso, l energia del campo viene convertita in una coppia quark antiquark ognuno dei quali si attacca ad uno dei due capi del tubo di flusso, producendo in tal modo due nuovi adroni incolori. Tale processo prende il nome di adronizzazione (Figura 1.3). Figura 1.3: Visione schematica del processo di produzione di una coppia q q in conseguenza dell eccitazione di un adrone. Tuttavia in un mezzo molto denso gli stati legati possono essere dissociati in un altro modo: la presenza di un alto numero di quark induce una sorta di schermaggio della carica di colore. Il fenomeno può essere descritto in analogia con il caso elettromagnetico. Infatti, il potenziale coulombiano che agisce tra cariche elettriche V EM (r) 1 r (1.5) viene depresso dall eventuale presenza di un alto numero di cariche nella regione considerata. Il potenziale allora assume la forma V EM(r) 1 r e µr (1.6) ove µ = r 1 D indica l inverso della distanza di Debye, ovvero il raggio d azione della forza efficace tra due cariche in un mezzo. Quando tale raggio r D diventa minore della distanza di legame atomico, per esempio per effetto di un aumento della densità elettronica, gli elettroni non risentono più dell attrazione coulombiana del nucleo e ciò fa sì che un isolante si trasformi in un plasma conduttore, composto da cariche libere come, ad esempio, nel caso del Sole all interno del quale le elevatissime temperature presenti consentono agli elettroni di sfuggire al potenziale dei protoni e muoversi liberamente. Possiamo applicare il medesimo ragionamento in ambito QCD. Il ruolo fin qui svolto dalla carica elettrica passa ora al colore. L effetto di schermaggio in questo caso modifica il potenziale in questo modo: [ ] 1 e V QCD(r) µr σr µr (1.7) ove µ definisce ora la distanza di schermaggio di colore [3]. Il deconfinamento rappresenta dunque la transizione da isolante a conduttore nella trattazione QCD, attraverso il passaggio dagli stati legati neutri ai loro singoli costituenti liberi e dotati di carica di colore. I quark, in queste condizioni, non subiscono più l influenza degli altri partoni a cui erano legati nella fase adronica e l intero plasma può assumere configurazioni Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE Pag. 7

15 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE che corrispondono a stati fisici QCD in cui le caratteristiche normalmente associate ai quark, come per esempio la massa, subiscono importanti modifiche. Questi effetti si ripercuotono poi sulla produzione di particelle da parte del sistema, sia in fase QGP sia nella sua successiva evoluzione termodinamica, fornendo interessanti informazioni e prove sperimentali dell esistenza del plasma di quark e gluoni. 1.4 Evidenze sperimentali del QGP L obiettivo che ha condotto alla nascita dell esperimento ALICE è quello di accertare, in condizioni di elevata densità di energia, l esistenza di una fase della materia le cui caratteristiche siano simili a quelle associate dalle previsioni teoriche al plasma di quark e gluoni e di studiarne appieno le proprietà. Poiché un sistema come il QGP sarà caratterizzato da una vita estremamente breve ( 10 f m/c), risulterà impossibile osservarne direttamente l esistenza e le proprietà, quindi gli sforzi dell esperimento ALICE saranno rivolti all osservazione di alcuni fenomeni che si suppone siano fortemente legati alla comparsa di questa fase. Per interpretare correttamente tali fenomeni come prova del QGP, nelle varie fasi dell esperimento ALICE ci sarà spazio per approfondire la loro osservazione in tre diversi momenti: nelle collisioni p+p in condizioni di confinamento, all interno della materia nucleare prodotta nelle collisioni p+pb nelle collisioni Pb+Pb, per rilevare eventuali deviazioni nei processi osservati rispetto al normale comportamento tenuto nella materia nucleare confinata Le prove più significative della comparsa del QGP, secondo quanto previsto dalle teorie e dai recenti risultati sperimentali conseguiti con misure all SPS del CERN ed a RHIC, sono: 1. soppressione della produzione di J/ψ 2. ripristino della simmetria chirale 3. aumento della stranezza 4. perdita di energia nel mezzo 5. osservazione di radiazione γ diretta Analizziamo più in dettaglio tali fenomeni. Pag. 8 Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE

16 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE Soppressione della produzione di J/ψ Uno dei segnali più evidenti dello schermaggio di colore è la soppressione della produzione di particelle J/ψ. La J/ψ rappresenta lo stato legato 1S di un quark charm con il suo antiquark (c c) e ha massa M J/ψ = 3.1 GeV. Le collaborazioni NA38 e NA51, studiando le collisioni da p+p e p+d fino a p+a e S+U (a 200 AGeV per i nuclei di zolfo e uranio) realizzate all SPS del CERN, hanno ottenuto informazioni dettagliate sull andamento della soppressione della produzione di J/ψ. Nelle interazioni considerate, essa sembra dipendere da fenomeni di assorbimento di J/ψ da parte della materia adronica incontrata durante il suo percorso nei nuclei interagenti [4]. Confrontando la produzione di J/ψ nelle collisioni protone-protone con quella relativa alle interazioni protone-nucleo, questo assorbimento determina una soppressione della J/ψ che cresce lentamente con il numero dei nucleoni coinvolti e con la densità di energia che caratterizza l interazione. Poiché le condizioni sperimentali sono in questi casi ben lontane da quelle necessarie alla creazione di una nuova fase, la soppressione della J/ψ a queste energie e in questi tipi di interazione è da considerare del tutto scorrelata dalla presenza del QGP. Implementando in un modello analitico i dati ricavati da questi esperimenti si è potuta ricavare una previsione sull andamento della soppressione della J/ψ: la previsione è stata perfettamente confermata anche in urti tra nuclei più pesanti su un intervallo che va dall interazione p+p fino alla collisione centrale S+U, dove le condizioni sono più simili a quelle che dovrebbero favorire la creazione del plasma. La previsione è stata però smentita nel caso di interazioni Pb+Pb: la collaborazione NA50, che per la prima volta ha fatto collidere ioni di piombo con un energia di 158 GeV per nucleone, ha riscontrato un evidente scostamento dei dati sperimentali da quelli attesi. Il grafico 1.4 mostra l andamento della produzione di J/ψ al variare dell energia trasversa E T ; tale variabile rappresenta l energia relativa al moto nel piano trasverso al fascio all asse del fascio incidente e aumenta via via che l urto coinvolge più centralmente i nuclei. Figura 1.4: Produzione di J/ψ in funzione della centralità degli urti (espressa in energia sul piano trasverso E T ) misurata dall esperimento NA50 in collisioni Pb-Pb a 158 GeV per nucleone. Come mostrato nel grafico, l estrapolazione basata sulle interazioni precedentemente studiate prevede che la produzione di J/ψ decresca lentamente all aumentare dell energia trasversa, fino a diventare costante per valori di E T superiori ai 100 GeV. I risultati dell esperimento NA50, pur confermando tali previsioni nel caso di collisioni periferiche, indicano invece una soppressione molto forte della produzione di J/ψ per urti centrali [5]. Osservando l andamento di tale produzione in funzione dell energia trasversa, e quindi della centralità dell interazione 1, notiamo che per E T = 100 GeV il valore sperimentale risulta pressoché dimezzato rispetto a quello atteso [6]. 1 Misure effettuate a RICH hanno evidenziato come la densità di energia trasversa de T /dη aumenti pressoché linearmente con la centralità della collisione, espressa in Numero di nucleoni partecipanti Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE Pag. 9

17 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE Un effetto così evidente non può essere attribuito alla normale interazione adronica ma deve far supporre piuttosto la comparsa di una nuova fase della materia dalle caratteristiche molto differenti, che è stata individuata nel plasma di quark e gluoni. In tale fase, in cui la densità di energia è talmente elevata da causare il deconfinamento dei quark che compongono i nucleoni coinvolti, si dovrebbe assistere allo schermaggio della carica caratteristica dei quark, ovvero il colore. In tali condizioni, una coppia di quark c c prodotta dalla fusione di due gluoni durante una collisione fra nuclei non riesce a legarsi. All interno del QGP infatti lo schermaggio di colore riesce a dissolvere il legame tra c e c e a separarli [12]. In fase di raffreddamento poi, quando la materia raggiunge la soglia di confinamento, se la distanza tra i due quark si mantiene superiore alla corrispondente lunghezza di Debye, l interazione è inibita. Poiché inoltre la probabilità di un ulteriore produzione termica di coppie c c è trascurabile a causa della massa elevata del quark charm (M c = 1.4 GeV), un quark c è costretto a legarsi con un antiquark più leggero, andando a creare un mesone D [17]. La produzione di stati legati di quark e antiquark charm come la J/ψ risulta dunque depressa in presenza di un plasma di quark e gluoni Ripristino della simmetria chirale La massa dei mesoni prodotti durante gli urti tra ioni pesanti è un altra via per studiare il plasma di quark e gluoni. Essa, infatti, è legata alla simmetria chirale di quark e gluoni: il ripristino di tale simmetria che in condizioni normali è spontaneamente rotta, dovrebbe essere un indizio dell esistenza di tale fase. Per descrivere per sommi capi il significato di questo indizio, definiamo prima di tutto il concetto di simmetria chirale. Essa riassume le proprietà destrorse e sinistrorse di un sistema fisico. Nel caso in cui tale sistema sia costituito da una particella, per esempio, la chiralità rappresenta la proiezione dello spin lungo la direzione del moto: σ p. Nel nostro caso, gli stati fisici che ci interessano sono costituiti da quark e gluoni, la cui interazione è descritta dalla Cromodinamica Quantistica. In tale modello, la massa attribuita ai quark è quasi nulla, m q 0, e il sistema si trova in uno stato simmetrico per trasformazioni chirali. Nella fase confinata, invece, gli adroni si comportano come se i propri costituenti avessero una massa non trascurabile: nei nucleoni, ad esempio, la massa dei quark u e d della materia allo stato ordinario è considerata pari a un terzo della massa dei nucleoni (m q = mn GeV ). La variazione di massa tra fase deconfinata e confinata indica una rottura spontanea della simmetria: ogni sistema fisico tende a stabilizzarsi nello stato con energia minima e nel nostro caso lo stato fondamentale del quark non è simmetrico per trasformazioni chirali e prevede per il partone una massa non nulla [3]. Una rappresentazione intuitiva della rottura spontanea della simmetria viene fornita in Figura 1.5. Il quark, rappresentato dalla sfera, tende a occupare lo stato con energia minore: nella configurazione (a), esso corrisponde ad uno stato simmetrico; nella (b), che schematizza la situazione del quark all interno di un nucleone, il partone è costretto a rompere la [7, 8] Pag. 10 Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE

18 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE Figura 1.5: La rottura spontanea della simmetria chirale. Il quark è rappresentato da una sfera. Nel disegno di sinistra esso si trova nello stato di minima energia del potenziale il quale è simmetrico per trasformazioni chirali. Nel disegno di destra, invece, mentre il potenziale è ancora simmetrico, lo stato di minima energia no; poiché il quark tende ad occupare lo stato di minima energia, la simmetria risulterà così spontaneamente rotta. simmetria, cioè a occupare uno stato asimmetrico [10]. Analogamente, ripercorrendo la transizione di fase in senso inverso dalla materia confinata al QGP, a temperature e densità abbastanza alte il moto termico dovrebbe dar luogo ad un ripristino della simmetria chirale, con conseguente variazione di massa m Q m q. Uno degli obiettivi dell esperimento ALICE è dunque studiare gli effetti che la materia nucleare calda e densa, sia sotto forma di gas adronico sia in fase deconfinata, provoca sulla massa dei mesoni prodotti nelle interazioni tra ioni pesanti. Un eventuale variazione di tale massa concorrerebbe a provare l esistenza del plasma di quark e gluoni Aumento della stranezza Un altro effetto della variazione della massa dei quark nel QGP è l aumento della produzione di particelle strane. Come già riferito in precedenza, la classificazione dei quark ne individua 6 tipi diversi (u, d, s, c, t e b) ognuno dotato del proprio antiquark. Ogni quark ha numero quantico di sapore non nullo solo relativamente al proprio sapore; quindi i valori di stranezza S sono S = -1 per il quark strano s e S = +1 per il relativo antiquark s. Ogni sapore, ivi compresa la stranezza, si conserva nelle interazioni forti: durante un interazione non vengono cioè creati quark strani se non in compagnia dei relativi antiquark, cosicché il contributo alla stranezza sia sempre nullo (S s s = S s + S s = ( 1) + (+1) = 0), e tali coppie sopravvivono fino alla fine dell interazione. Ogni particella inoltre possiede una carica di stranezza pari alla somma algebrica della stranezza dei quark e antiquark di cui è costituita. L ipotesi che descrive in modo più convincente la formazione delle coppie di quark nelle collisioni illustra in questo modo il processo: la collisione implica l interazione di cariche di colore con il vuoto QCD, ovvero lo stato a minima energia in cui si presenta inizialmente il sistema di quark e gluoni, che viene eccitato da questa interazione e conseguentemente neutralizza tale eccitazione attraverso la creazione di coppie quark-antiquark e di gluoni. Quando il plasma eccitato si espande e si raffredda nel processo di adronizzazione, i quark e i gluoni si ricombinano in modo da produrre gli adroni secondari osservati alla fine del processo, i quali conservano a loro volta le caratteristiche dei costituenti da cui sono stati originati. Il sistema viene ben descritto da un modello teorico col quale si possono descrivere e prevedere anche le abbondanze relative degli adroni secondari. Rispetto a tale modello, però, si riscontra ben presto una deviazione nell andamento della produzione di particelle strane: fin dalle collisioni più semplici, come gli urti e + + e, p + p e p + p per poi andare fino alle p + A e A + A, si osserva sperimentalmente una soppressione nella produzione di particelle strane rispetto alla corrispondente produzione di coppie di quark Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE Pag. 11

19 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE uū e d d. Dobbiamo sottolineare che tale fenomeno si osserva anche in interazioni e + + e in presenza di pochissimi adroni prodotti e che quindi non può essere spiegato come un effetto delle interazioni tra adroni nello stato finale [6]. La ragione di questa soppressione va dunque ricercata a monte, ovvero al momento della formazione della coppia s s. A causa della massa elevata dei quark strani (m s 0.5 GeV) rispetto a quella dei quark leggeri (m u,d 0.3 GeV), è necessaria una maggiore quantità di energia per creare la coppia s s rispetto alle uū e d d: la produzione di particelle strane risulta dunque più difficile a causa della differenza di massa tra quark. Al limite in cui tale differenza diventa sempre meno importante, si dovrebbe notare una diminuzione della soppressione della stranezza. Secondo le teorie elaborate al riguardo, tale limite viene raggiunto nel plasma di quark e gluoni: in tale fase, caratterizzata dal deconfinamento e dallo schermaggio di colore, le differenze di massa diventano trascurabili con la conseguenza che i quark u, d ed s compaiono in uguale abbondanza [17]. Un altra causa dell aumento delle particelle strane prodotte potrebbe risiedere nella soppressione della produzione di coppie uū e d d a vantaggio delle coppie s s, dovuta al principio di esclusione di Pauli. Data la grande concentrazione di quark u e d (che sono fermioni e quindi seguono il principio di Pauli) nel sistema prodotto durante le collisioni, infatti, il livello libero più basso a disposizione di un nuovo quark u o d prodotto nell interazione dovrebbe avere un energia comparabile con quella necessaria a produrre una coppia s s. La produzione di particelle strane sarebbe quindi favorita a scapito dei quark leggeri. Qualunque sia la causa dell aumento dell abbondanza relativa di particelle strane, se il raffreddamento del QGP procedesse poi abbastanza rapidamente da conservare tale abbondanza, lo stato finale ottenuto da un QGP adronizzato prodotto dalle interazioni Pb + Pb dovrebbe contenere un maggior numero di adroni strani rispetto allo stato adronico prodotto dalle interazioni p + p, cioè senza un QGP iniziale. In effetti i risultati sperimentali confermano questo ragionamento. Il fenomeno fu osservato all SPS del CERN già nelle collisioni S + S e S + Ag con E = 200 AGeV studiate dalla collaborazione NA35 e nelle collisioni Pb + Pb con E = 165 AGeV della NA49. Confrontando le misurazioni di questi esperimenti con i dati relativi alle collisioni e + + e, p + p e p + p si nota subito un aumento globale della stranezza. Tale aumento globale può essere quantificato con un parametro che tenga conto delle coppie di quark-antiquark strani mediamente prodotte rispetto alle coppie uū e d d: λ AA s = 2 s + s u + ū + 2λpp,ee s (1.8) d + d Come si vede in Figura 1.6, l abbondanza relativa della stranezza globale raddoppia nelle collisioni di ioni pesanti ultrarelativistici. Figura 1.6: Incremento della produzione di particelle strane nelle diverse collisioni: negli urti tra nuclei pesanti la produzione di coppie strane risulta raddoppiata rispetto agli urti tra particelle leggere [6]. Pag. 12 Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE

20 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE Oltre alla stranezza globale, sono stati rilevati anche aumenti specifici nella produzione delle particelle strane K, K, Λ, Λ, Ξ, Ξ, Ω e Ω nelle collisioni Pb + Pb, confrontandola con la produzione in collisioni p + Be. L abbondanza relativa di adroni strani, in particolare, aumenta fortemente nelle collisioni centrali Pb + Pb. Quanto appena detto è stato oggetto di studio approfondito dell esperimento WA97 (Figura 1.7) realizzato al CERN con lo scopo di misurare la produzione di particelle strane in un urto frontale piombo - piombo alle energie del SPS ( 170 GeV nucleone ). In un urto di tal genere vengono a prodursi migliaia di particelle, tra le quali quelle strane costituiscono una minoranza (inferiori al 2%). Per stabilire se in una collisione piombo - piombo si sia verificata una produzione più abbondante di particelle strane si rende necessario il confronto con interazioni che coinvolgano un numero molto piccolo di nucleoni (idealmente due soltanto). Pertanto l esperimento è stato ripetuto con un fascio di protoni incidenti sia su un bersaglio di piombo che su un bersaglio di berillio. Ciò ha permesso di osservare un effettivo incremento (fino a 15 volte) della produzione di particelle strane nelle collisioni tra nuclei pesanti rispetto a quelle tra nuclei leggeri, nelle quali si ritiene che la densità di energia sia insufficiente alla produzione del QGP. Figura 1.7: Rappresentazione grafica dei risultati dell esperimento WA97. In ascissa è riportato il numero di nucleoni partecipanti all urto, in ordinata il numero delle particelle strane prodotte negli urti p - Be, p - Pb, Pb - Pb. Le misure sono normalizzate al numero di particelle strane prodotte in un urto p - Be. [14]. I due grafici mostrano i risultati per diversi tipi di iperoni. L esperimento WA97 ha permesso di misurare l incremento di stranezza anche in funzione del numero di nucleoni partecipanti all interazione. Si ha infatti che quanti più nucleoni partecipano alla collisione, tanto maggiore è l energia in gioco e di conseguenza la probabilità che si inneschi lo stato di plasma unitamente alla molteplicità di particelle secondarie nello stato finale. L intervallo all interno del quale sono comprese le misure va da 100 nucleoni (semplice sfioramento) fino alla totalità dei nucleoni presenti nei nuclei di piombo (urto totalmente frontale). In questo intervallo, l incremento per ciascuna delle particelle strane considerate risulta proporzionale al numero di nucleoni partecipanti. Pertanto se ne deduce che il cambiamento di regime nella produzione di barioni strani (dovuto allo stato di plasma o ad un qualche altro processo) avviene già con meno di 100 nucleoni coinvolti, quindi al di sotto del limite inferiore di partecipanti studiato da WA97. Sulla base dei risultati ottenuti da WA97 è stato concepito l esperimento NA57 il quale ha permesso lo studio di urti coinvolgenti fino a 50 nucleoni, oltre che collisioni ad energia più bassa (dai 148 GeV utilizzati in WA97 a 40 GeV), estendendo in tal modo gli intervalli esplorati da WA97. Nel grafico 1.8 sono mostrate le abbondanze per partecipante osservate dalla collaborazione NA57 nelle interazioni p + Pb e Pb + Pb: i dati sono normalizzati rispetto alle abbondanze osservate nelle interazioni p + Be e sono riportati in funzione del numero medio dei partecipanti alle interazioni. Come si nota, l aumento dell abbondanza di una particella è tanto più elevato quanto più alta è la carica Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE Pag. 13

21 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE di stranezza della particella stessa, fino a raggiungere un aumento di circa un fattore 20 per la particella Ω (ricordiamo che la particella Λ contiene un quark (anti)strano, la Ξ ne contiene 2, la Ω ne contiene 3). Nell esperimento NA57 sono state studiate le collisioni con un numero di nucleoni partecipanti che varia da circa 50 (urti periferici) fino a 416 (urti Pb + Pb completamente centrali); si vede come l incremento di stranezza specifica sia proporzionale al numero di partecipanti coinvolti. Figura 1.8: Incremento della stranezza specifica misurato nell esperimento NA57: è riportato il numero di particelle prodotte nelle varie interazioni (all energia di 158 GeV per nucleone), normalizzato rispetto alla produzione osservata in urti p + Be in funzione del numero medio di nucleoni partecipanti all interazione [15]. I due grafici mostrano i risultati per diversi tipi di iperoni. Le collisioni sono state realizzate a due diverse energie (a 40 GeV per nucleone e 158 GeV per nucleone): all energia minore, i risultati hanno mostrato un evidente soppressione dell incremento di stranezza. Si ritiene dunque che il brusco aumento della produzione di barioni strani abbia inizio ad un energia intermedia tra i 40 GeV e i 158 GeV. I risultati preliminari ottenuti a RHIC [16], nell esperimento STAR in collisioni Au- Au all energia S = 200GeV, confermano la tendenza osservata negli esperimenti del CERN ossia un aumento della produzione di particelle strane in funzione del numero di nucleoni partecipanti all interazione (Figura 1.9). Figura 1.9: Fattori relativi all aumento della stranezza misurati in collisioni Pb-Pb al CERN (a) e collisioni Au-Au al RHIC. I dati sono normalizzati rispetto alle abbondanze osservate nelle interazioni p-be e p-p rispettivamente [16]. Così come nei dati CERN, la stranezza è effettivamente aumentata con l aumento del numero dei nuclei partecipanti; i fattori di aumento si incrementano passando da Λ a Ξ a Ω ma quelli raggiunti in collisioni centrali sono tipicamente più piccoli rispetto a quelli ottenuti all SPS. All esperimento ALICE spetta dunque l importante compito di verificare l andamento della produzione di stranezza lungo tutto l intervallo di valori di energia e di numero di partecipanti, tenendo ben presente questa considerazione: poichè l aumento di stranezza viene osservato anche nelle collisioni protone-protone al crescere dell energia o della molteplicità associata, tale fenomeno non è necessariamente legato alla presenza della materia nucleare, e ancora meno al deconfinamento di colore. Prima di utilizzare la stranezza come prova del deconfinamento caratteristico del QGP bisogna dunque definirne esattamente il normale comportamento, come lo si è osservato nelle collisioni p - p scorrelate dalla possibile formazione del QGP. Una volta fatto ciò, si può procedere con l analisi dei risultati di quelle che si ritengono essere, tra tutte le collisioni avvenute, Pag. 14 Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE

22 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE quelle abbastanza centrali da far insorgere effetti aggiuntivi legati all andamento della produzione di particelle strane Perdita di energia nel mezzo Un ulteriore prova della comparsa del QGP sarà ricercata nell andamento della produzione di particelle ad alto momento trasverso e della correlazione azimutale dei getti prodotti. Le previsioni teoriche indicano una rilevante perdita di energia per i partoni ad alto momento che attraversano un mezzo denso e caldo come il QGP. Tale perdita di energia avviene soprattutto per radiazione di gluoni (gluon bremsstrahlung) [11]: un partone molto energetico perde energia durante il passaggio nel QGP sia a causa dello scattering anelastico multiplo cui è sottoposto, sia a causa dell emissione di gluoni indotta. Questo fenomeno si rileva sperimentalmente nell effetto di jet quenching, ovvero nella soppressione di getti ad alto momento trasverso. La perdita di energia descritta non è un effetto peculiare della propagazione attraverso un mezzo deconfinato, tuttavia è lecito aspettarsi che esso sia più evidente in presenza del QGP, ove un partone energetico può interagire con partoni a loro volta più energetici e numerosi rispetto al caso di un mezzo confinato [12, 13]. Lo stesso processo di interazione tra particelle ad alto momento con il mezzo è anche alla base del fenomeno di soppressione della correlazione azimutale tra getti. In assenza di deconfinamento, infatti, ad un getto di particelle prodotto ed emesso in seguito ad un urto, corrisponde l emissione di un getto nella direzione con angolo azimutale opposto al primo. Ciò che invece è stato osservato negli urti Au + Au realizzati nell esperimento STAR indica una deviazione da questo comportamento: mentre negli urti periferici sono visibili entrambi i getti, nelle collisioni centrali se ne osserva solamente uno [20]. Ciò è stato interpretato come effetto dell assorbimento di uno dei due getti da parte del mezzo denso e caldo prodotto dalle collisioni centrali; l altro getto, dovendo probabilmente percorrere una minore distanza, riesce invece ad emergere dal mezzo Emissione di radiazione γ diretta La ricerca del QGP si basa anche sull analisi di effetti interni, cioè prodotti direttamente dal plasma. In concreto tali effetti sono rappresentati da particelle che devono rispettare un importante condizione: esse devono lasciare la materia che si sta osservando senza essere modificate da interazioni successive; di conseguenza possono essere solamente particelle interessate da interazione debole o elettromagnetica. I principali candidati per questo tipo di prova sono i fotoni diretti. Essi dovrebbero essere prodotti durante la fase QGP soprattutto in processi quali l annichilazione di coppie quark-antiquark (q q gγ) e l assorbimento di un gluone da parte di un quark con conseguente emissione di un fotone (qg qγ o qg qγ) [18]. I fotoni prodotti in processi di questo tipo hanno una distribuzione in energia e momento del tutto simile ai due partoni interagenti da cui sono stati prodotti. Essi dunque Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE Pag. 15

23 1.4. Evidenze sperimentali del QGP Capitolo 1. La Fisica dell esperimento ALICE trasportano importanti informazioni sulla materia deconfinata. Tuttavia non è semplice discriminare i fotoni diretti dal fondo dei fotoni prompt, ovvero quelli prodotti dalle collisioni iniziali nucleo-nucleo, e dei fotoni di decadimento adronico dello stato finale [19]. Gli ultimi sviluppi della ricerca in questo campo hanno permesso di osservare i fotoni prodotti nelle reazioni p + p e p + A. In questi esperimenti si opera al fine di discriminare i fotoni diretti da quelli provenienti da decadimento adronico, ma i risultati sono ancora piuttosto controversi. Per quanto riguarda le collisioni nucleo - nucleo ad alta energia, i fotoni diretti non possono essere identificati in via diretta a causa dell alta molteplicità adronica. E possibile però sottrarre il fondo di fotoni di decadimento ricostruendolo a partire dagli adroni misurati. In questo modo, l esperimento WA98 è riuscito a osservare fotoni diretti in collisioni centrali Pb + Pb all energia di 158 GeV per nucleone. Lo spettro ricavato mostra un evidente eccesso rispetto al fondo, per fotoni con momento trasverso compreso tra 1.5 e 3.5 GeV/c. Risultati preliminari ottenuti al RICH, nell esperimento PHENIX [9], sembrano confermare quanto ottenuto da WA98 in quanto si è osservato un eccesso di fotoni con momento trasverso maggiore di 4 GeV/c (Figura 1.10). Figura 1.10: Risultati dell esperimento PHENIX relativi alla misura di fotoni diretti per 5 diversi valori di centralità per collisioni Au-Au all energia s = 200 GeV. La curva continua rappresenta il calcolo teorico in perturbative QCD (pqcd) in caso di collisione p-p, mentre la regione colorata rappresenta la variabilità dei risultati in pqcd nel range p T /2 2p T. La ricerca dei fotoni diretti sarà continuata dall esperimento ALICE: nelle condizioni operative previste, la maggiore temperatura e la più lunga sopravvivenza del plasma di quark e gluoni rispetto ai precedenti esperimenti dovrebbe causare un abbondante produzione di fotoni. Le stime più accreditate prevedono l esistenza di un intervallo in prossimità di p t = 2 GeV/c in cui dovrebbe dominare il contributo del QGP. Pag. 16 Produzione e caratterizzazione dei rivelatori a microstrisce per il tracciatore interno di ALICE

24 Capitolo 2 L esperimento ALICE ALICE (A Large Ion Collider Experiment) è un esperimento progettato ed ottimizzato per l osservazione delle collisioni fra nuclei pesanti presso il collisionatore LHC del CERN. La sua attività ha come obiettivo primario la scoperta e lo studio di una nuova fase della materia chiamata Plasma di Quark e Gluoni (QGP). Il programma di lavoro, nel quale sono coinvolte circa un migliaio di persone, e il sistema di rivelazione di ALICE sono stati progettati in modo da poter operare lo studio del QGP in condizioni di energia e luminosità mai raggiunte prima. Questo permetterà non solo di confermare i risultati degli esperimenti precedenti (fatto che costituisce solo un punto di partenza) ma soprattutto di estendere gli intervalli operativi finora esplorati variando l energia e il numero dei nucleoni coinvolti nelle interazioni, aprendo in tal modo un possibile scenario di nuova fisica. Durante le varie fasi dell esperimento sarà possibile ottenere un enorme mole dati e quindi fornire una descrizione completa e coerente del comportamento della materia nucleare al variare delle condizioni al contorno, evidenziando gli effetti della comparsa del QGP [21, 22, 23]. L attività sperimentale di ALICE inizierà nel 2007 per una durata prevista di 10 anni; l apparato sperimentale è in via di allestimento presso il pozzo ex L3 nel tunnel che ospiterà LHC. Iniziamo dunque descrivendo brevemente il programma di massima dell attività sperimentale. Analizzeremo in seguito le caratteristiche tecniche e fisiche del rivelatore di ALICE. 2.1 Il programma sperimentale di ALICE L attività all LHC, così come per gli altri esperimenti su ioni pesanti realizzati presso gli acceleratori SPS e RHIC, è stata programmata con due obiettivi principali: far collidere svariati tipi di nuclei alla maggiore energia raggiungibile e studiare in maniera sistematica diversi tipi di urti e diverse energie di fascio. Poiché esistono numerose possibili combinazioni in base al tipo di ioni ed ai valori di energia, il programma di lavoro di ALICE potrà essere modificato in corso d opera per far fronte alle richieste 17