ESPERIMENTO ALICE. Viaggio al CERN

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1 ESPERIMENTO ALICE Viaggio al CERN

2 ALICE è l acronimo di A Large Iron Collider Experiment ed è uno dei più grandi esperimenti fisici al mondo riguardanti la ricerca della fisica della materia in scala infinitesimale. Esso è operativfo dal 2008 presso il CERN di Ginevra e vede la collaborazione di più di 1500 fisici, ingegneri e anche studenti.

3 L apparato misura complessivamente 20 metri di lunghezza e 16 di altezza e larghezza Esso è costituito principalmente da un magnete solenoidale con molti rilevatori, che appunto rilevano e registrano con altissima precisione tutte le conseguenze delle collisioni.

4 ALICE cerca di trovare delle risposte basandosi sui dati forniti dall LHC: 1) che cosa succede alla materia che viene riscaldata fino a centomila volte rispetto alla temperatura del Sole? 2) perché i protoni e i neutroni pesano fino a cento volte di più rispetto ai Quark di cui sono formati? 3)possono i Quark essere liberati?

5 Lo scopo principale di ALICE è quindi quello di spiegare le conseguenze fisiche delle interazioni nucleo - nucleo fornite dall LHC, tutto ciò mediante dei rilevatori di ioni pesanti: durante un interazione (o scontro) le particelle raggiungono temperature molto elevate con densità energetica estrema, raggiungendo un nuovo stato di materia, il plasma quark-gluone, ovvero lo stato della materia qualche nanosecondo dopo il Big Bang

6 LHC ( Large Hadron Collider )

7 Che cos' è? E' un dispositivo capace di accelerare due fasci di particelle a oltre il 99,9% della velocità della luce, per farli scontrare e creare delle nuove particelle, studiate e analizzate dai fisici. Realizzato al CERN, è il più potente acceleratore di particelle del mondo. E' installato in un tunnel (di 27 km di circonferenza) che a sua volta è situato tra le montagne del Giura francese e il Lago di Ginevra, in Svizzera. E' scavato tra 50 e 150 metri sotto terra.

8

9 Che cosa fa? Alcuni accelleratori lineari di particelle producono dei fasci che vengono iniettati in LHC. A questo punto LHC produce delle collisioni frontali tra due fasci di particelle dello stesso tipo (protoni o ioni di piombo). I fasci vengono indirizzati da magneti superconduttori, i quali vengono raffreddati a temperature estremamente basse. Questo accelleratore riesce a produrre fino a 600 milioni di collisioni al secondo

10 Complesso degli acceleratori del Cern

11 Scopo Le collisioni che avvengono al suo interno contribuiranno alla comprensione del funzionamento dell' Universo e ai segreti della materia perché le particelle che collidono tra loro danno vita ad altre nuove e sconosciute particelle. Le collisioni avvengono alle energie più alte mai raggiunte in laboratorio. I risultati delle collisioni sono studiati dai fisici attraverso 4 rilevatori di particelle situati lungo il tunnel: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), ALICE (A Large Ion Collider Experiment), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (LHC-beauty). I 4 esperimenti si occupano della fisica delle particelle.

12 Come funziona? LHC utilizza 1800 magneti superconduttori per guidare i fasci di particelle ad un' energia così alta. Le bobine sono realizzate con un materiale superconduttore: il niobiotitanio. Utilizzando materiali di questo tipo, i campi magnetici generati sono molto più intensi di quelli prodotti da elettromagneti tradizionali. In foto: dettaglio di un magnete superconduttore quadripolare

13 I superconduttori Questi materiali riescono a condurre elettricità senza resistenza (il flusso di elettroni non incontra ''ostacoli'' nell' attraversare il materiale). Un materiale diventa ''superconduttore'' quando è raffreddato a temperature bassissime ( -271 C) Il sistema criogenico (che si occupa del raffreddamento dei magneti) dell' LHC è il più grande al mondo. Esso utilizza elio liquido superfluido.

14 L antimateria Le prime ipotesi sull antimateria e la conseguente esistenza di numerosi universi oltre il nostro sono nate 1933, quando Paul Dirac vinse il premio Nobel per un equazione che spiegava il moto di un elettrone ad altissime velocità. Quest equazione, però, lasciava spazio a due «risposte», in quanto contemplava sia il caso in cui venisse considerato un elettrone con carica positiva, sia quello con carica negativa. Da qui Dirac ipotizzò l esistenza dell «antielettrone», uguale ad un normale elettrone in tutto e per tutto, ma con carica di segno opposto. Nel momento in cui materia ed antimateria si scontrano, però, queste si annichiliscono a vicenda ed è per questo che ci si chiede come mai al mondo ci sia molta più materia se il Big Bang, almeno in teoria, ha prodotto pari quantità di materia e antimateria

15 Lo studio dell antimateria è comunque molto complicato, in quanto questa permane per una piccolissima frazione di secondo prima di annichilirsi. Per studiarla, infatti, i fisici del CERN sono costretti a crearla loro stessi e a sviluppare nuovi metodi per rallentare i velocissimi flussi di energia in cui queste particelle si muovono. Tra questi metodi figura l «Antiproton Decelerator», il quale ha favorito lo studio ad esperimenti come «Alpha», «Athena» e «Atrap». In questi esperimenti, dopo aver creato delle molecole di Anti-Idrogeno (formate da un positrone ed un anti-protone), queste vengono mantenute separate dalla materia attraverso l uso di campi magnetici. Il massimo per cui sono riusciti a mantenere in vita una particella di antimateria è 16 minuti, cosa che ha consentito di studiarne nel dettaglio tutte le caratteristiche.

16 Antiproton Decelerator (AD) L Antiproton Decelerator (AD) fornisce antiprotoni a bassa energia per gli studi sull antimateria. Prima le frabbriche di antimateria erano formate da serie di acceleratori, ognuno col proprio compito. Ora l AD esegue da solo tutti questi compiti, dalla creazione degli antiprotoni alla consegna ai vari esperimenti. Tutto parte da un fascio di protoni che parte dal Proton Synchrotron (PS) fino a colpire un blocco metallico. L energia prodotta è sufficiente per creare una coppia protone-antiprotone una volta ogni milione di collisioni: gli antiprotoni prodotti, viaggiano alla velocità della luce e hanno troppa energia per poter essere utilizzati nella creazione di antiatomi.il compito dell AD è proprio quello di tramutare queste particelle In un raggio a bassa energia. Dei potenti magneti tengono gli antiprotoni sulla via, mentre un campo magnetico li rallenta. Il passaggio degli antiprotoni in ua nube di elettroni è nota come cooling, e riduce I movimenti laterali oltre che la divagazione dell energia. La decelerazione prosegue finchè la loro velocità non è che il 10% di quella della luce, in un processo che dura circa un minuto.

17 Alpha ALPHA fu il primo esperimento a intrappolare un atomo di antimateria, essendo in grado di trattenerlo per un massimo di 1000 secondi grazie ad un forte campo magnetico. Inizialmente il suo scopo non era quello di osservare gli effetti della gravità, ma I fisici si accorserò presto che I dati che avevano trovato erano molto rilevanti. Le speculazioni teoriche riguardano il fatto che se Idrogeno e Anti-Idrogeno condividono le medesime caratteristiche, allora anche il loro comportamento a causa della forza di gravità dovrà essere il medesimo. Per questo, in teoria, nel momento in cui un atomo è rilasciato questo dovrebbe essere spinto verso il basso, sia che sia fatto di materia, sia che sia fatto di antimateria.

18 ASACUSA Tale sperimento studia le simmetrie fondamentali tra materia ed antimateria, le interazioni che avvengono durante gli urti tra materia e antimateria e la massa di tali particelle. Per compiere tali esperiementi si usa o antimateria (nel caso specifico anti-idrogeno), oppure i cosiddetti hybrid atoms (elio antiprotonico, prodotto miscelando un fascio di antiprotoni con del gas elio ordinario: in questa reazione l'antiprotone rimuove uno dei due elettroni contenuti in un normale atomo di elio, per poi orbitare intorno al suo nucleo al posto dell'elettrone). ASACUSA non utilizza trappole magnetiche per intrappolare gli atomi di anti-idrogeno, ma crea dei fasci di atomi in movimento per condurlo in una zona in cui non sono presenti campi magnetici, in modo da attuare la misurazione tramite radiazione a microonde. Questo perché per misurare la struttura iperfine bisogna far si che il campo magnetico sia pressoché assente e non influenzi il sistema, dato che queste strutture sono molto sensibili al campo magnetico. Uno dei risultati più importanti di ASACUSA lo si è avuto nel giugno 2006 quando si è riusciti a misurare con grande precisione la massa dell'antiprotone che è risultata essere 1836, volte quella dell'elettrone, cioè lo stesso valore di quella del protone.

19 ATHENA L esperimento ATHENA (ApparaTus for High precision Experiments with Neutral Antimatter) fu approvato il 12 giugno 1997, e fu il primo esperimento di ricerca sull antimateria a produrre atomi di anti-idrogeno a bassa energia in una trappola elettro-magnetica. Per la creazione di anti-idrogeno è necessario preparare i suoi due componenti fondamentali, l antiprotone e il positrone (antielettrone). I primi vengono forniti dal deceleratore di antiprotoni, mentre gli ultimi sono ottenuti da sorgenti di sodio radioattivo e accumulati. Essi vengono mescolati all interno di un cilindro e confinati grazie all utilizzo di potenziali campi elettrici e campi magnetici, dove a questo punto si legano per formare un atomo di anti-idrogeno. Dopo la preparazione, un rilevatore ad alta risoluzione conferma l avvenuta creazione dell anti-idrogeno, di cui vengono studiati i livelli energetici del suo spettro, al fine di confrontarli con quelli già noti dell idrogeno. Nel design dell esperimento l accento fu posto sulla costruzione di un sistema aperto e flessibile, poiché ciò avrebbe consentito l accumulo di un elevato numero di positroni in un apparato esterno, con seguente trasferimento nell apparato principale. Ciò che è veramente cruciale per la creazione dell anti-idrogeno sono: mantenere la più bassa temperatura possibile nella regione in cui vengono catturati i positroni e gli antiprotoni, e inoltre è importante avere una pressione residua dovuta al gas molto bassa e un elevato campo magnetico. Nel 2005 la collaborazione ATHENA venne sciolta e molti dei membri andarono a formare l esperimento successivo, ALPHA.

20 CERN 2014

21 a presto Ginevra! =)

22 Al lavoro hanno partecipato i seguenti studenti: Anna Laura Sanna Corrias Marco Fara Davide Frau Ilaria Piseddu Martina Pitzanti Francesca Porrà Emanuele Zuncheddu Marco

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