Sono in molti a ritenere che la fisica delle particelle elementari

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1 terza pagina/fisica delle particelle Alla frontiera della scienza Francesco Lacava e Aleandro Nisati Lo scorso settembre al CERN di Ginevra è entrato in funzione il Large Hadron Collider, l acceleratore di particelle più avanzato al mondo. Al lavoro circa 800 scienziati italiani Sono in molti a ritenere che la fisica delle particelle elementari si appresti a vivere nei prossimi anni un periodo estremamente interessante. Lo scorso settembre al CERN di Ginevra, il laboratorio europeo per la fisica nucleare, è stato inaugurato il Large Hadron Collider (LHC), la più potente macchina acceleratrice a fasci incrociati di protoni (e di ioni pesanti) finora costruita. Lo studio delle collisioni protone-protone negli esperimenti presso questo collisore permetterà un salto nella conoscenza dei costituenti più piccoli della materia e delle loro interazioni, chiarendo alcuni punti ancora irrisolti della teoria delle particelle elementari. Inoltre dovrebbe essere possibile osservare tutta una serie di nuove particelle finora solo ipotizzate teoricamente, che potrebbero tra l altro A volte ritornano chiarire fenomeni di astrofisica, come per esempio la dinamica delle galassie. Nelle collisioni di due protoni si riprodurranno in laboratorio i processi elementari che pensiamo dovessero permeare il nostro Universo circa un milionesimo di miliardesimo di secondo dopo l inizio del Big Bang, quando la temperatura sarebbe stata circa K (cioè cento milioni di miliardi di gradi!). L avventura dell LHC è iniziata intorno a metà degli anni Ottanta quando al CERN si propose di realizzare all interno del tunnel sotterraneo costruito per ospitare il LEP, il collisore elettrone-positrone in funzione negli anni Novanta, un collisore protone-protone di 14 TeV di energia nel centro di massa, un energia cioè pari a circa volte quella corrispondente alla massa a riposo di un protone (dalla relazione E=mc 2 ) (TeV È perfettamente prevedibile che la qualità intellettuale più diffusa degli esseri umani sia la credulità. Oroscopi dovunque, in ogni tipo di mass media, lotterie basate su la fortuna, pubblicità commerciale menzognera, e così via. La credulità è inesauribile. Tra la chemioterapia e un cornetto portafortuna, molti tratterebbero un tumore con il cornetto. I fisici che stanno per fare esperimenti con LHC al CERN di Ginevra vanno ingenuamente dicendo che ciò che si produce in una collisione protone-protone a quelle energie corrisponde a un processo che si realizzava nei primi istanti dell Universo, ai tempi del mitico Big Bang. Non tengono conto del fatto che Big Bang è una epressione diabolica, come Buco Nero e altre terrificanti evocazioni cosmologiche. La gente si spaventa: sarà sicuro fare un esperimento così? Non è pericoloso? E se ancora nessuno lo ha mai fatto, come fanno a sapere che non ci sono rischi? Ed ecco che qualche scienziato esibizionista, nella migliore tradizione dei rotocalchi, decide di provocare un caso, di fare un po di baccano sfruttando la fame inestinguibile dei giornalisti. E, senza vergognarsi di ciò che fa, si rivolge a un tribunale internazionale chiedendo di fermare la minaccia incombente : non è la prima volta che ci provano, già qualche anno fa accadde qualcosa di simile per un esperimento americano. La reazione dei giornali, dalle Hawai all Europa, è puntuale e vistosa: tutti, grandi e piccini, ci si buttano sopra. Il telefono squilla in continuazione. Che dire? Tranquilli, il Big Bang è rimandato. Viene voglia di dire che Nostradamus non lo aveva previsto per oggi: ma temo che qualcuno si scatenerebbe in interpretazioni autentiche di profezie. Per fortuna, i nostri autori spiegano, a chi vuole capirlo, ciò che veramente si fa. C.B. = 1000 GeV = 1, Joule). La tecnica dei collisori consiste nel far circolare due fasci di particelle di alta energia, controrotanti in una stessa macchina circolare, facendoli incrociare in punti prestabiliti. Nata in Italia alla fine degli anni Cinquanta presso i Laboratori Nazionali di Frascati, su suggerimento del fisico Bruno Touschek, inizialmente fu impiegata per collisioni elettrone- PAG. 62 SAPERE - OTTOBRE 2008

2 La sala di controllo del Large Hadron Collider al CERN di Ginevra nel giorno dell'inaugurazione lo scorso settembre. positrone. Essa permette di raggiungere le più alte energie d interazione perché nella collisione di due particelle di stessa massa in moto contrapposto, l'intera energia del sistema è disponibile per l'interazione, diversamente da ciò che accade in esperimenti a bersaglio fisso presso macchine acceleratrici tradizionali. Intorno a metà degli anni Settanta, Carlo Rubbia e altri fisici proposero di usare questa tecnica anche per far collidere protoni e antiprotoni. Fu un idea brillante che, grazie anche alla prima realizzazione di fasci di antiprotoni, nel 1983 rese possibile al CERN le prime osservazioni dei bosoni W e Z e nel 1995 di scoprire il quark top al collisore del Fermilab di Chicago. Il nuovo collisore LHC è l ultimo arrivato di questa entusiasmante linea di ricerca. Nato come progetto europeo, nel tempo LHC ha assunto rilevanza planetaria grazie alla partecipazione di fisici provenienti da oltre cinquanta nazioni. Anche i ricercatori americani hanno concentrato i loro sforzi su LHC da quando, nel 1993, è stato cancellato il programma di costruzione del Superconducting Super Collider (SSC), un collisore ancora più grande di LHC, con 40 TeV di energia nel centro di massa e con 87 chilometri di circonferenza. Il Modello Standard delle particelle elementari Nonostante i grandi passi avanti compiuti negli ultimi decenni, nella comprensione della struttura fondamentale della materia ci sono aspetti ancora non verificati sperimentalmente o che non hanno finora trovato una spiegazione del tutto soddisfacente. Il modello teorico attuale delle particelle elementari, elaborato sulla base di un vasto insieme di risultati sperimentali e di sviluppi teorici, va sotto il nome di Modello Standard. In esso trovano posto i costituenti fondamentali della materia e sono descritte le loro interazioni. I mattoni fondamentali della materia, almeno quelli finora scoperti, si possono dividere in due gruppi, ognuno composto da tre coppie di particelle elementari: i quark (up e down, charm e strange, top e beauty) e i leptoni (elettrone e neutrino elettronico, muone e neutrino-mu, tau e neutrinotau) (Tabella 1). Per ciascuna di queste particelle esiste poi la corrispondente antiparticella (particella di antimateria), e le antiparticelle sono raggruppate in un modo del tutto simile alle particelle. I quark, a differenza dei leptoni, per effetto dell interazione forte, non possono esser prodotti isolatamente: sono necessariamente confinati con altri quark o SAPERE - OTTOBRE 2008 PAG. 63

3 Tabella 1. Coppie di fermioni elementari noti. quark leptoni u up d down n e neutrino - e e elettrone c charm s strange n m neutrino - m m muone t top b beauty n t neutrino - t antiquark in particelle elementari come per esempio il protone o il neutrone. A partire da questi costituenti elementari possiamo spiegare la struttura della materia che ci circonda. Così, semplificando un po, due quark up uniti a un quark down formano un protone mentre due quark down e un quark up costituiscono un neutrone. Protoni e neutroni possono poi legarsi a formare i nuclei dei vari elementi chimici. Infine i nuclei circondati dagli elettroni costituiscono gli atomi dei materiali più semplici, come un gas, o più complessi, come per esempio quelli degli elementi più pesanti, come il piombo. Tutte le particelle fondamentali finora menzionate sono fermioni: hanno cioè spin semintero (=1/2) e hanno particolari proprietà statistiche (di Fermi-Dirac) determinanti, tra l altro, per la formazione degli elementi atomici e quindi del mondo che ci circonda. t tau A destra è riportata la carica elettrica comune a tutte le particelle sulla riga, indicata in unità di carica elementare (pari alla carica dell elettrone cambiata di segno). Tabella 2. Le tre forze fondamentali che governano le interazioni tra le particelle elementari. Forza Interazione elettromagnetica Agisce su quark, leptoni e bosoni con carica elettrica. Raggio d azione illimitato. Interazione forte Agisce su quark e gluoni, i leptoni non ne risentono. Raggio d azione m. Interazione debole Agisce su quark e leptoni. Raggio d azione m. carica neutra Bosoni mediatori Fotone g Ha massa nulla. Gluoni g Sono otto e hanno massa nulla. Bosoni carichi W + e W Massa: 80,4 GeV Bosone neutro Z 0 Massa: 91,2 GeV 0 1 Alcune caratteristiche principali Particelle con stessa carica si respingono, con cariche opposte si attraggono. È l interazione che lega gli elettroni al nucleo negli atomi e determina i legami molecolari. Lega i quark a formare il protone, il neutrone e altre particelle a interazione forte. Lega protoni e neutroni nei nuclei atomici. Causa i decadimenti radioattivi b nei nuclei, permette i processi di fusione nucleare che forniscono l energia alle stelle (come nel nostro Sole) e che si pensa di utilizzare in futuro per la produzione di energia. Trasforma i quark u, c, t, in quark d, s, b e viceversa, inoltre i leptoni e, m, t nei rispettivi neutrini e viceversa. È l interazione debole che, a differenza di quella carica, non trasforma le particelle. Individuati i mattoni elementari, è necessario comprendere come questi interagiscano tra loro. Sappiamo che le interazioni o forze fondamentali sono quattro: elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale. Inoltre è noto che le prime tre di queste sono propagate da un altra classe di particelle elementari, i cosiddetti bosoni che, avendo uno spin intero (=1), osservano una statistica (di Bose-Einstein) alternativa a quella dei fermioni. I bosoni propagatori (o mediatori) delle prime tre interazioni (Tabella 2), le sole osservabili negli attuali esperimenti con particelle elementari, sono: i fotoni, responsabili dei fenomeni elettromagnetici (come per esempio la forza coulombiana di attrazione o di repulsione tra due oggetti elettricamente carichi), i bosoni W ± e Z 0, che scambiano le forze deboli (responsabili per esempio del decadimento b del neutrone), i gluoni (sono otto) che determinano le interazioni nucleari forti (tengono insieme i quark nel protone o nel neutrone, e poi legano protoni e neutroni a comporre il nucleo atomico). Le stesse forze intervengono anche nelle interazioni tra due antiparticelle e tra particella e antiparticella. C è da osservare che i leptoni non sono soggetti all interazione forte, cioè, a differenza dei quark, non interagiscono con i gluoni. Il Modello Standard si basa sul fatto che le equazioni che descrivono le interazioni osservano particolari leggi di simmetria. Ciò determina la forma delle interazioni in uno schema unificato. Un chiaro successo di questo modello è l unificazione della forza elettromagnetica e della forza debole in un unica interazione detta elettrodebole con la previsione dei bosoni W e Z osservati, come già ricordato, al CERN nel Alcuni modelli teorici suggeriscono inoltre l unificazione dell interazione elettrodebole con l interazione forte a energie estremamente elevate (maggiori di GeV), oltre le possibilità di verifica diretta alle macchine acceleratrici oggi immaginabili. Le particelle che risentono dell interazione forte, come per esempio i protoni, sono dette adroni; da qui il nome di Large Hadron Collider, Grande Collisore di Adroni. Fig. 1. Grafico di Feynman che rappresenta uno dei processi più importanti di produzione e decadimento del bosone di Higgs: un gluone (g) di un protone interagisce con un gluone (g) di un protone del fascio opposto. In questo processo si forma per un tempo brevissimo una coppia di quark top-antit op che si annichila ( fonde ) in un bosone di Higgs. Successivamente questa particella decade in una coppia di bosoni Z 0, che, a loro volta, decadono in una coppia e + e ed una coppia m + m. La figura 4 rappresenta un esempio di come si vedrebbe nell apparato ATLAS un decadimento di questo tipo. I grafici di Feynman sono una rappresentazione grafica dei processi tra particelle elementari descritti dalle leggi della Meccanica Quantistica. g g t t t H Z 0 Z 0 m + e m e + PAG. 64 SAPERE - OTTOBRE 2008

4 terza pagina/fisica delle particelle Il Modello Standard (SM) descrive i fermioni, i bosoni mediatori e le loro interazioni, tuttavia, per spiegare la loro massa è stato necessario introdurre un nuovo processo, noto come meccanismo di Higgs (dal nome di uno dei fisici che per primi lo hanno proposto), capace di attribuire una massa alle particelle. Questo meccanismo implica l esistenza di un nuovo bosone con spin 0, detto bosone di Higgs, la cui massa tuttavia non è prevista dalla teoria. La consistenza della teoria richiede solo che la sua massa sia inferiore a 1 TeV mentre gli attuali limiti sperimentali indicano che probabilmente dovrebbe esser compresa tra 114 e 192 GeV. Ci si aspetta quindi che il bosone di Higgs possa esser prodotto nelle interazioni di protoni a LHC e la sua osservazione, senza dubbio uno degli obiettivi primari della fisica dei nostri giorni, è perciò una delle motivazioni principali del progetto LHC del CERN. Il protone è una particella composta formata da quark (con prevalenza di due quark up e uno down), antiquark e gluoni: questi componenti elementari sono chiamati in generale partoni. Lo scambio di gluoni tra quark e antiquark e l interazione tra gli stessi gluoni tengono uniti i partoni nel protone. Nelle collisioni più frontali di due protoni, in realtà, l interazione avviene tra uno o più partoni di un protone e uno o più partoni dell altro protone. Le interazioni partone-partone di più alta energia sono quelle che danno luogo agli eventi più interessanti, come per esempio la produzione del bosone di Higgs schematizzata in figura 1. Anche dopo l eventuale osservazione del bosone di Higgs e la misura della massa, rimarrebbe comunque da comprendere cosa determini il valore della scala di energia della sua massa. Tra le teorie che potrebbero dare una soluzione a questo problema e contribuire all unificazione delle interazioni fondamentali ci sono le teorie Supersimmetriche (SUSY) che, comprendendo il Modello Standard, assumono una simmetria più estesa tra particelle a spin intero e particelle a spin semintero prevedendo l esistenza di nuove particelle superpartner di quelle finora scoperte. Queste superparticelle, per alcune delle quali si ipotizza una massa intorno al TeV, non sarebbero ancora state osservate semplicemente perché troppo pesanti per essere prodotte dagli acceleratori finora usati. Ci sono però buoni motivi per pensare che, qualora esistessero, l energia di LHC sia sufficiente per produrle e permetterne la scoperta. L osservazione di particelle supersimmetriche amplierebbe notevolmente il numero di mattoni fondamentali e potrebbe anche fornire una spiegazione al problema della materia oscura dell Universo. Difatti diverse misure di astrofisica indicano chiaramente che la materia luminosa da noi osservata rappresenta il 4% dell energia dell Universo, mentre il 23%, non emettendo alcun tipo di radiazione elettromagnetica, risulta invisibile (da qui dark matter o materia oscura) alla nostra osservazione diretta basata sulla ricezione di onde elettromagnetiche (luce, onde radio, etc.); il restante 73% essendo costituito da una forma di energia a noi sconosciuta (detta dark energy o energia oscura). Non sappiamo oggi di cosa sia composta la materia oscura ma, se esistono, le particelle supersimmetriche neutre di minor massa potrebbero essere dei buoni candidati. Infatti, sarebbero presenti nel nostro Universo come residui del Big Bang iniziale e, interagendo molto poco con la materia ordinaria, sarebbero osservate solo indirettamente attraverso effetti gravitazionali. Tra questi, per esempio, la costanza della velocità di rotazione delle parti di una galassia al crescere della distanza dal suo centro. Fig. 2. Lungo la circonferenza dell acceleratore LHC sono disposti quattro apparati sperimentali (ATLAS, CMS, LHC-b ed ALICE) pronti a studiare le collisioni di fasci di protoni di alta energia che questa macchina si appresta a produrre. Il nuovo acceleratore Il Large Hadron Collider si trova in un tunnel circolare sotterraneo di 27 chilometri scavato a circa 100 metri di profondità al di sotto della campagna tra la città di Ginevra e le montagne del Giura, proprio dove passa il confine tra la Francia e la Svizzera (Fig. 2). Come detto, il tunnel era stato costruito negli anni Ottanta per ospitare il LEP, il grande collisore di elettroni e positroni (antielettroni) che tra il 1989 e il 2000, ha permesso di effettuare misure di alta precisione dei parametri del Modello Standard. Nel caso di LHC, pacchetti di protoni con una energia di 0,450 TeV sono immessi nel collisore usando l intero complesso di macchine acceleratrici di protoni usate in passato al CERN per le indagini più avanzate della fisica subnucleare. In LHC i protoni sono suddivisi in due fasci mantenuti su traiettorie circolari percorse in direzioni opposte, distanti tra loro pochi centimetri. Durante la fase di accelerazione, ogni protone raggiunge un energia di 7 TeV. Protoni di questa energia hanno una velo- SAPERE - OTTOBRE 2008 PAG. 65

5 cità inferiore di una parte su cento milioni rispetto a quella della luce e per curvare la loro traiettoria e mantenerli su orbite circolari compatibili con le dimensioni del tunnel, sono necessari campi magnetici estre- MUON ENDCAP BOBINA SUPERCONDUTTRICE TRACCIATORE MUON BARREL mamente elevati raggiungibili solo con magneti superconduttori. Lungo la circonferenza di LHC sono infatti distribuiti circa magneti di vario tipo e con diverse funzioni, che guidano i protoni esattamente sulle traiettorie prestabilite. In particolare, tra questi ci sono dipoli magnetici superconduttori, lunghi ognuno 15 metri, con all interno un campo magnetico maggiore di 8 Tesla (circa 100 mila volte il campo magnetico terrestre), cioè quanto richiesto per curvare il percorso dei protoni. Tutti i magneti superconduttori per poter funzionare sono raffreddati a 1.9 K da un imponente sistema di criogenia che realizza nel tunnel di LHC una zona estesa più fredda della radiazione cosmica di fondo che ha una temperatura prossima a 3 K. I protoni circolanti in ciascuna direzione sono raggruppati in pacchetti, contenenti ognuno fino a 100 miliardi di protoni. I pacchetti sono lunghi solo 7,6 centimetri e hanno un diametro di appena 16 micrometri: le dimensioni di un capello sottile. Dopo la fase di accelerazione i due fasci circolanti nella macchina sono mantenuti sulle loro orbite per quasi dieci ore durante le quali i pacchetti di un fascio sono fatti incrociare con quelli dell altro fascio in quattro punti di interazione intorno ai quali sono stati montati i quattro esperimenti ATLAS, CMS, LHC-b e ALICE per l osservazione delle particelle emesse nelle collisioni. Quando LHC funzionerà nella sua configurazione di progetto (massima potenza) si avrà un incrocio di pacchetti ogni 25 nanosecondi (cioè 40 milioni di incroci per secondo), a ogni incrocio si avranno circa 20 collisioni tra coppie di protoni appartenenti a pacchetti opposti e in ogni collisione circa 100 delle particelle prodotte attraverseranno i rivelatori di un esperimento come ATLAS o CMS. Per comprendere quanto siano elevate le energie in gioco basti pensare che a quel regime tutti i protoni circolanti in LHC, la cui massa totale raggiunge solo un miliardesimo di grammo, avranno insieme un energia uguale all energia cinetica di 900 automobili, ognuna della massa di una tonnellata, lanciate a 100 chilometri all ora. ECAL IRON YOKE Gli esperimenti I principali esperimenti che analizzeranno le collisioni protone-protone prodotte ad LHC sono quattro: ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHC-b (Large Hadron Collider beauty) e ALICE (A Large Ion Collider Experiment). I primi due sono esperimenti con un programma scientifico molto vasto, centrato innanzitutto sulla ricerca del bosone di Higgs e di nuova fisica (per esempio particelle supersimmetriche) e di loro parleremo fra poco diffusamente. L esperimento LHC-b è dedicato allo studio di particelle con quark beauty ed in particolare studierà la violazione della simmetria CP in queste particelle. La validità di questa simmetria richiede che un processo tra particelle avvenga con la stessa probabilità del processo che si ottiene osservando il primo in uno specchio (equivalente allo scambio della destra con la sinistra) e allo stesso tempo scambiando le particelle con le corrispondenti antiparticelle. Ciò corrisponderebbe a una completa simmetria tra materia e antimateria con la conseguenza che nell Universo primordiale avrebbe dovuto essere prodotta la stessa quantità di materia e di antimateria mentre il nostro Universo è composto di sola materia. Nel 1964 è stata scoperta una piccolissima violazione della simmetria CP e quindi un asimmetria tra materia ed antimateria. Si pensa che un asimmetria di questo tipo potrebbe aver determinato nelle prime fasi dell Universo la scomparsa dell antimateria. Dopo un primo periodo di collisioni protone-protone, in LHC saranno immessi e fatti collidere due fasci di ioni pesanti (piombo) con un energia di 572 TeV ognuno (pari a 2,76 TeV per nucleone). Per lo studio di queste collisioni, che richiede un apparato sperimentale con speciali caratteristiche, è stato preparato l esperimento ALICE. In particolare nelle collisioni tra ioni si spera di osservare la formazione di un plasma di quark e di gluoni. In questo stato della materia, quark e gluoni non sarebbero più confinati in particelle elementari (come protoni o neutroni) ma formerebbero piuttosto una specie di zuppa molto calda e densa. È questo uno stato della materia che avrebbe riempito il nostro Universo alla fine del primo microsecondo della sua vita. Sia la ricerca del bosone di Higgs sia quella di segnali di nuova MUON ENDCAP HCAL Fig 3. I principali componenti dell'apparato sperimentale CMS: il tracciatore interno, la bobina superconduttrice, il calorimetro elettromagnetico (ECAL), il calorimetro adronico (HCAL), il giogo di ritorno (iron yoke) e, infine, i rivelatori dello spettrometro per muoni (un muon barrel e due muon endcap). PAG. 66 SAPERE - OTTOBRE 2008

6 terza pagina/fisica delle particelle fisica richiedono una rivelazione sicura e una misura accurata dell energia di fotoni, elettroni (e positroni), muoni, tau, nonché di getti di particelle che possono essere originati da gluoni o da quark come per esempio quelli prodotti in associazione al bosone di Higgs o nella sua disintegrazione. L ermeticità degli apparati sperimentali, ossia la copertura con rivelatori, il più completa possibile, della zona circostante il punto di interazione, permette inoltre di misurare l energia mancante dell evento, cioè quella che sfugge alla rivelazione e che va attribuita alla produzione nella collisione di neutrini o di nuove particelle (per esempio supersimmetriche) che escono dall apparato senza rilasciarvi alcun segnale. L elevata frequenza delle collisioni tra i protoni, necessaria per raggiungere un alta luminosità del collisore, che corrisponde alla possibilità di osservare un numero ragionevole di eventi che hanno una piccola probabilità di produzione, ha imposto particolari condizioni nel disegno degli apparati sperimentali. In primo luogo, è stato necessario progettare rivelatori rapidi, con un elettronica di lettura dei segnali abbastanza veloce, capaci di distinguere tra loro le collisioni dei pacchetti di protoni che si susseguono con un intervallo temporale di 25 nanosecondi, e allo stesso tempo realizzare apparati in grado di sopportare per un periodo di tempo di almeno anni gli elevati flussi di radiazione prodotti durante il funzionamento della macchina acceleratrice. Lungo complessivamente 46 metri, con un diametro di 25 metri e un peso di tonnellate, ATLAS è il più grande apparato sperimentale mai costruito. CMS invece si presenta come un apparato più compatto, lungo 22 metri e con un diametro di 15 metri con una massa di tonnellate (Fig. 3). A questi due esperimenti partecipano complessivamente circa fisici. Sebbene la struttura degli esperimenti ATLAS e CMS sia simile, le scelte adottate per la realizzazione dei vari rivelatori che compongono i due apparati sperimentali sono abbastanza diverse. In prossimità del punto di collisione, sia ATLAS che CMS dispongono di un rivelatore più interno ID (Inner Detector) per la misura delle traiettorie delle particelle cariche. Questo rivelatore, di forma cilindrica, è centrato sul punto nominale delle collisioni, con l asse orientato nella direzione di volo dei due fasci. Lungo sei metri e con un diametro di poco più di due nel caso di La partecipazione italiana Sono circa 800 i fisici italiani che partecipano agli esperimenti con LHC. Non solo: molti dei rivelatori dei vari esperimenti sono stati costruiti nei laboratori dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) o delle nostre università. La presenza italiana è rilevante anche tra i fisici che si occupano della gestione dei dati registrati negli esperimenti e tra coloro che si preparano all analisi degli eventi. Molti sono giovani ricercatori, dottorandi e studenti che dedicano la loro tesi alla preparazione degli esperimenti o dell analisi dei dati. Notevole anche la partecipazione delle industrie, operanti per esempio nel campo dei superconduttori (ASG - Ansaldo Superconduttori, Zanon, Europa Metalli) o dell elettronica (come la CAEN di Viareggio), con un ritorno in termini di commesse estremamente vantaggioso per il nostro paese. All ASG è stato costruito un terzo dei circa dipoli superconduttori di LHC, così come il grande magnete solenoidale superconduttore dell esperimento CMS e le bobine del grande magnete toroidale dell esperimento ATLAS. L avventura LHC, dunque, rappresenta anche per l Italia un occasione eccezionale per la formazione di personale estremamente specializzato in vari settori della fisica, dell elettronica e dell informatica, e per lo sviluppo delle industrie nazionali in settori di alta tecnologia. ATLAS (per CMS le dimensioni sono simili), è immerso in un campo magnetico, diretto lungo l asse del rivelatore, che curva la traiettoria delle particelle cariche prodotte nelle collisioni. Dalla misura della curvatura è possibile determinare la quantità di moto con cui la particella è stata generata. In ATLAS il magnete produce un campo magnetico di 2 Tesla, mentre quello di CMS permette di produrre un campo di 4 Tesla. Nel caso di CMS questo magnete, il più grande solenoide superconduttore finora costruito, rappresenta l unico magnete presente nell apparato, mentre in ATLAS, come si dirà, altri tre grandi magneti toroidali in aria sono disposti più all esterno. Nell Inner Detector la traiettoria delle particelle cariche è determinata dalle misure di posizione effettuate su più piani di rivelatori di silicio. Questi rivelatori producono un segnale quando sono attraversati da una particella ionizzante e sono in grado di misurare la posizione della linea di volo della particella con un errore di pochi micrometri. Ciò naturalmente comporta un numero elevatissimo di canali di lettura, dell ordine di 10 8 (cento milioni). Nel caso di ATLAS gli strati più esterni del tracciatore centrale sono realizzati con la tecnica tradizionale dei tubi a deriva: questo consente di disporre di un maggiore numero di punti di misura delle traiettorie. Nei rivelatori centrali la quantità di moto di una particella di 50 GeV/c viene misurata con un incertezza dell ordine dell 1%. Il rivelatore centrale di tracce è circondato dal calorimetro. Questo rivelatore è costituito dal calorimetro elettromagnetico, posto subito dopo l ID, seguito dal calorimetro adronico. Con il primo si identificano gli elettroni e i positroni (cioè e ± ) e i fotoni (g) prodotti nella collisione e se ne misurano le energie. Una misura precisa dell energia di queste particelle è infatti fondamentale per osservare la produzione di nuove particelle. ATLAS dispone di un calorimetro basato su una tecnologia ben collaudata, che utilizza argon liquido come materiale sensibile per la misura dell energia di elettroni e fotoni che producono sciami elettromagnetici attraverso le sottili lastre di piombo presenti nel calorimetro. Questa tecnica è particolarmente adatta in ambienti con elevati flussi di radiazione, e permette di misurare l energia di e ± e g di 100 GeV con risoluzioni dell ordine dell 1% o superiori. CMS invece si avvale di una tecnica basata su cristalli di tungstenato di piombo (PbWO 4 ), un nuovo SAPERE - OTTOBRE 2008 PAG. 67

7 tipo di scintillatore studiato appositamente per questo esperimento) capaci di fornire una risoluzione intrinseca superiore (di circa un fattore 2 migliore di quella di ATLAS) e allo stesso tempo di sopportare gli elevati flussi di radiazione prodotti dalle collisioni. Il calorimetro adronico svolge diverse funzioni: insieme al calorimetro elettromagnetico contribuisce all identificazione di elettroni (positroni) e fotoni, permette la ricostruzione dell energia e della direzione dei getti di particelle che si producono nell interazione tra due protoni, e permette di assorbire la quasi totalità delle particelle prodotte nella collisione. Fanno eccezione i neutrini (ed eventuali altre nuove particelle neutre poco interagenti) che sfuggono alla rivelazione e i muoni di energia superiore ad alcuni GeV, che sono invece osservati nei rivelatori più esterni. Sia ATLAS che CMS hanno adottato tecnologie tradizionali per la realizzazione dei calorimetri adronici, basate su strati di ferro (ATLAS) o ottone (CMS) alternati a lastre di scintillatore plastico. La parte più esterna di ATLAS e CMS è costituita dai rivelatori per l identificazione e la misura della quantità di moto dei muoni, che rappresentano le uniche particelle cariche in grado di attraversare il calorimetro adronico. In entrambi gli esperimenti, questi apparati condizionano le dimensioni geometriche dell apparato stesso, e, nel caso di CMS, anche il peso complessivo. Il sistema di muoni di ATLAS è basato su un grande spettrometro in aria costituito da un magnete toroidale centrale e da due magneti toroidali più piccoli, posti all interno del primo, in corrispondenza delle due estremità. Ciascuno di questi tre magneti è a sua volta costituito da otto bobine superconduttrici, in grado di sviluppare un campo magnetico di intensità compresa tra 0.5 e 1 Tesla. Le bobine del toroide centrale, di forma rettangolare, hanno le dimensioni di 25 metri lungo la direzione dei fasci per 5 metri in direzione traversa. All interno del toroide centrale, e attorno ai due toroidi in avanti, sono collocati i rivelatori di muoni. Nel caso di CMS si utilizza invece il giogo di ritorno del flusso di campo del magnete solenoidale centrale. Questo sistema è costituto da una serie continua di lastre di ferro, magnetizzate con un campo di intensità di circa 1.5 Tesla, poste attorno al calorimetro ed alternate a rivelatori di posizione. Per entrambi gli esperimenti, i rivelatori di muoni utilizzati sono molto simili, tutti basati su tecnologie di rivelazione a gas. In particolare, si usano tubi a deriva in alluminio, lunghi uno o più metri, riempiti di una miscela di gas (per la maggior parte argon), di sezione dell ordine di alcuni centimetri quadri, con un sottile filo conduttore situato lungo l asse e posto ad un potenziale positivo. Una particella carica, come il muone, attraversando un tubo, ionizza il gas presente al suo interno, e gli ioni prodotti, amplificati nel gas dal campo elettrico presente, generano un segnale sul filo che viene rivelato dall elettronica di lettura posta all estremità dei tubi. Ciò permette di determinare la posizione del passaggio della particella con una precisione dell ordine di 100 mm o migliore. I diversi strati di tubi a deriva presenti nello spettrometro permettono infine una ricostruzione accurata della traiettoria della particella, dalla cui curvatura, come nel tracciatore centrale, è possibile misurare la quantità di moto, essendo noto il campo magnetico presente. Per un muone di 50 GeV, la quantità di moto viene misurata con una risoluzione di circa 1.5 GeV nello spettrometro di ATLAS mentre in quello di CMS la precisione è limitata dall effetto dell attraversamento del ferro. Combinando le misure in questi rivelatori con quelle fornite dai tracciatori centrali (ID), la risoluzione di CMS raggiunge 0.5 GeV mentre per ATLAS si ottiene 1 GeV. Ci piace ricordare che nei due spettrometri di ATLAS e CMS per il tracciamento, meno accurato ma estremamente rapido, essenziale per individuare gli eventi con muoni di alta energia, sono usati dei rivelatori molto veloci, detti RPC (Resistive Plate Chamber: camere a piani resistivi) ideati e sviluppati nelle Università italiane e nelle Sezioni dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. In figura 4 è presentato un evento simulato di produzione del bosone di Higgs seguita dal suo decadimento in una coppia di Z 0 Fig. 4. Simulazione nel rivelatore ATLAS di un decadimento del bosone di Higgs in due coppie e + e e m + m. Sono visibili le tracce dei due muoni che attraversano lo spettrometro esterno (tracce in rosso) e la coppia di elettroni che vengono assorbiti dal calorimetro elettromagnetico (al centro verso l alto in celeste). Le traiettorie delle altre particelle di maggior energia sono raffigurate in giallo. che decadono in due coppie m + m e e + e come ci si aspetta di osservare nell apparato ATLAS. Va infine ricordato il sistema di trigger, cioè di selezione degli eventi interessanti, e di acquisizione dei dati (DAQ) che com- PAG. 68 SAPERE - OTTOBRE 2008

8 terza pagina/fisica delle particelle pleta ciascun apparato sperimentale. Infatti alla luminosità di progetto della macchina sono prodotte circa 10 9 collisioni protone-protone per secondo, la maggior parte costituita da interazioni inelastiche di interesse scarso o nullo per il programma scientifico di LHC e, solo una frazione piccolissima di eventi di reale interesse fisico. È impensabile registrare i dati di tutte le collisioni prodotte in LHC, selezionando successivamente col computer gli eventi interessanti: occorrerebbe immagazzinare qualcosa come 10 8 MB/s (che significherebbe riempire di dati circa ventimila DVD al secondo!). Il sistema Trigger/DAQ effettua una ricostruzione approssimata, ma sufficientemente accurata, degli eventi che mano a mano si producono, selezionando in tempo reale (on-line) solo quelli con le caratteristiche principali compatibili con le collisioni che si intendono studiare. In questo modo solo i dati relativi a questi eventi sono registrati su supporti magnetici (dischi rigidi, nastri magnetici). Il numero di eventi conservati per l analisi è così ridotto di un fattore di circa , corrispondente a 200 eventi/s (equivalenti a 300 MB/s) come compatibili con gli attuali sistemi di registrazione di dati. Nonostante la grande riduzione ottenuta con il sistema di trigger, la quantità di dati che sarà necessario analizzare (circa 10 4 PB/anno, 1PB = 1 PetaByte = 10 6 GB) costituisce una sfida importante anche per i più moderni sistemi di calcolo. Per far fronte a questa impresa, è stato finanziato il progetto GRID ( griglia ), la cui funzione principale sarà quella di distribuire la ricostruzione degli eventi registrati dagli apparati (o anche simulati) ad una rete di calcolatori dislocati in tutti i paesi che partecipano al progetto LHC. Il progetto GRID riveste un ruolo fondamentale per lo sviluppo del calcolo scientifico moderno, ed LHC si presenta indubbiamente come uno dei settori della ricerca più esigenti. Conclusioni Il 10 settembre del 2008 un fascio di protoni, iniettato con una energia di 450 GeV ha compiuto per la prima volta un giro completo all interno del Large Hadron Collider. Il fascio, una volta assorbito dagli schermi utilizzati in questo test, ha prodotto una grande quantità di particelle che sono state rivelate dagli apparati sperimentali (vedi figura 5). Sebbene i 27 chilometri compiuti dai protoni rappresentino soltanto una frazione insignificante del percorso che verrà coperto durante i prossimi anni, questo primo giro di fatto rappresenta un grande balzo in avanti per la ricerca scientifica moderna nel campo della fisica delle alte energie. Questioni tuttora aperte, legate all origine della massa, alla natura della materia oscura, all asimmetria tra materia ed antimateria, presto potranno essere approfondite e, forse, troveranno una risposta. Infine l LHC potrebbe aprire una finestra su un mondo del tutto sconosciuto: se l entrata in funzione di questa macchina acceleratrice rappresenta il punto di arrivo di un progetto durato quasi vent anni, Fig. 5. Segnali osservati nei rivelatori dell esperimento ATLAS al passaggio delle particelle prodotte dall assorbimento in un collimatore del primo fascio circolato in LHC. essa allo stesso tempo sarà il punto di partenza per scrivere un capitolo nuovo della fisica moderna. PER SAPERNE DI PIÙ: On-line CERN faq - LHC the guide, scaricabile da: cdsmedia.cern. ch/img/cern-brochure eng.pdf CERN: LHC, fisica, acceleratore, esperimenti: public.web.cern.ch/public/en/lhc/lhc-en.html. Articoli VELTMAN M., «Il bosone di Higgs», Le Scienze, 221, novembre LLEWELLYN SMITH C., «Il Large Hadron Collider», Le Scienze, 385, settembre Dossier Il futuro della fisica, con articoli su LHC di L. MAIANI, PETRONZIO R., COLLINS G.P., QUIGG C. ed altri, in Le Scienze n. 476, aprile GRINBAUM A., On the eve of the LHC: conceptual questions in high-energy physics, arxiv: v1. AUTORI VARI, «Insight: The Large Hadron Collider», Nature, 448, 2007, pp FIDECARO M. e GENTILE S., «Il tassello mancante la particella di Higgs», Giornale di Fisica, Vol. 49, 2008, no. 2, pp Francesco Lacava è professore associato di Fisica sperimentale presso la «Sapienza» Università di Roma, partecipa all esperimento ATLAS. Aleandro Nisati è primo ricercatore presso la Sezione di Roma dell INFN, partecipa all esperimento ATLAS. SAPERE - OTTOBRE 2008 PAG. 69