Case Study Opera Gran Sasso Il Leica TDA allinea la più grande fotocamera del mondo

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1 Case Study Opera Gran Sasso Il Leica TDA allinea la più grande fotocamera del mondo

2 150 fisici, 36 istituzioni di 13 paesi e un preventivo di spesa di 120 milioni di euro: questo è Opera, un progetto internazionale realizzato in collaborazione con il CERN e con la partecipazione del CNRS (Centro Nazionale per la Ricerca Scientifica) finalizzato a riprodurre sulla terra in condizioni note il fenomeno naturale della trasformazione di neutrini muonici in neutrini tauonici. L obiettivo finale è quello di confermare un modello matematico che supporterebbe la Teoria della Grande Unificazione della fisica. 7 m 6.7 m Questa ricerca può sembrare esoterica, ma è innanzitutto estremamente pratica e sperimentale. Comporta importanti sfide tecnologiche per ottenere una precisione micrometrica su un bersaglio che pesa 1300 tonnellate. Allo stesso tempo, significa esaminare di che materia siano fatte e quale ruolo abbiano svolto queste particelle misteriose nei primissimi momenti dell universo, spiega Dario Auterio, fisico dell Istituto di Fisica Nucleare di Lione (CNRS) e capo del gruppo di ricerca sui neutrini. Nell ambito di questa ricerca, è stato installato un rilevatore di neutrini nel laboratorio nazionale del Gran Sasso, il più grande laboratorio sotterraneo del mondo che occupa un area di m². Il sito è stato scelto perchè la roccia, che lo ricopre per 1400 metri, protegge il rilevatore dalla radiazione cosmica che inquinerebbe le misure. I neutrini studiati dal gruppo di ricercatori vengono generati allo scopo dal CERN, l Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare situata sotto il confine franco-svizzero vicino a Ginevra. Un acceleratore di particelle spara protoni su di un bersaglio di grafite. Le particelle prodotte vengono poi guidate in un tubo a vuoto della larghezza di 1 km e poi dirette verso il rilevatore dove si disintegrano, producendo miliardi di neutrini al secondo. I neutrini muonici si disperdono poi in linee rette che attraversano la terra - i neutrini sono dei veri fantasmi! In generale viaggiano attraverso la terra alla velocità della luce. Di conseguenza passano attraverso 730 km di roccia per raggiungere il rilevatore in 2,4 millisecondi. Per la maggior parte, questi neutrini mantengono uno stato identico a quello che avevano nel momento in cui sono stati formati. Alcuni di essi tuttavia si trasformano in neutrini tauonici. Dario Auterio spiega: Questa rara trasformazione deriva da una sorta di oscillazione spontanea tra due stati. Mentre la teoria più recente offre una buona spiegazione di questa oscillazione, noi siamo stati in grado di dimostrarlo solo per mezzo di una mancanza di neutrini muonici, rispetto ad una fonte nota di neutrini. Per essere del tutto certi e studiare il fenomeno più da vicino, è necessaria la prova diretta dell oscillazione, rilevando i neutrini tauonici. Questo può sembrare un esperimento semplice, ma l oscillazione richiede che i neutrini abbiano una massa, anche se molto piccola. Per lungo tempo invece si è creduto che i neutrini non avessero alcuna massa, come i fotoni. Il fatto che ci siano particelle elementari e leggi fondamentali della natura è un ulteriore fattore importante di cui tener conto nel progetto. Inoltre i neutrini sono legati al grande mistero dell asimmetria materia-antimateria che esiste nell universo. Attualmente i primi neutrini rilevati sono neutrini muonici, ma servono ancora alcuni anni per

3 In alto: uno dei mattoni da installare nell immensa struttura, ancora vuota nella foto al centro. Foto a destra: il robot usato per posizionare i mattoni in modo preciso. realizzare il passo avanti previsto. Una galleria speciale è stata attrezzata per Opera nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso per permettere di installare un sensore immenso, simile ad un enorme fotocamera, per rilevare il flusso di particelle generate dal CERN. Questo sensore consentirà la creazione di neutrini tauonici da osservare e fotografare man mano che vengono prodotti grazie all interazione del raggio del CERN con il sensore. Il sensore consiste di due magneti e mattoni (una parete di mattoni 52 x 64) del peso totale di 1255 tonnellate. Ogni mattone consiste di 56 strati alternati dello spessore di un millimetro di foglio di piombo e pellicola fotografica. A causa della sensibilità della pellicola fotografica, è stato creata una fabbrica di produzione dei mattoni nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso. Assembla e condiziona le pellicole fotografiche con i fogli di piombo per produrre i famosi mattoni, un componente importante del sensore, ad un ritmo di 7000 unità al giorno. É dentro questi mattoni che avranno luogo gli eventi che saranno fotografati e analizzati dai ricercatori. La ricerca di uno strumento di misura adeguato è stata effettuata in numerose fasi con specifiche molto precise: lo strumento di misura non dovrebbe solo permettere al sensore di essere installato con allineamento molto preciso, ma dovrebbe svolgere anche un ruolo attivo nella verifica finale, misurando la posizione di tutti i componenti per consentire correzioni costanti del software durante la costruzione del sensore. Davvero se le migliaia di tonnellate di mattoni venissero installate, la struttura diverrebbe più pesante. Il livello di precisione richiesta per il tracker dei mattoni e delle strutture, è stato fissato a 1 mm mentre il livello di precisione richiesta per il tracker dei magneti è stato definito a 0,3 mm in un volume totale di 10 m x 10 m x 20 m! Le esigenze di misura per l installazione richiedevano l acquisizione di uno strumento versatile e facile da usare in grado di svolgere compiti diversi. Assieme al team di allineamento del CERN e i rappresentanti locali di Hexagon Metrology, sono stati eseguiti numerosi test per confermare l uso della stazione Leica TDA 5005 come strumento più adatto a rispondere a tutte le specifiche. L analisi dei costi di un servizio di misura su questa scala (ogni giorno per 2 anni durante l installazione della macchina) ha confermato molto presto la necessità di investire in strumenti interni. In questo modo il personale avrebbe potuto essere completamente indipendente e lavorare con i propri tempi, incorporando i vincoli di flessibilità necessari per questo tipo di progetto. Di conseguenza una stazione laser Leica TDA5005 venne collegata direttamente all intero sistema di riferimento globale del progetto Opera proprio dall inizio. Per installare i componenti e il rilevatore, venne creato un reticolo di punti di Ogni mattone viene installato da un robot simile ad un manipolatore che usa delle marcature per identificare la posizione esatta del mattone nell enorme mosaico che sta costruendo. Il sensore nel laboratorio del Gran Sasso è la fotocamera più grande al mondo mai costruita. Il processo di installazione che è durato diversi anni ha richiesto precisione estrema per il posizionamento e il montaggio dei suoi componenti. Centinaia di target magnetici formano la base del processo di misura fotogrammetrico del sistema. Supporto target molto preciso

4 riferimento nella sala degli esperimenti. Questo ha comportato l installazione di diverse centinaia di target sulle pareti, sul pavimento e sul rilevatore per garantire che lo strumento funzionasse sempre nell ambito del medesimo sistema di riferimento durante tutte le fasi dell installazione. Usando il software Axyz e il suo algoritmo di accorpamento (o regolazione del raggio), si poteva posizionare il tracker in quindici diverse posizioni all interno del medesimo sistema di riferimento globale con un livello di incertezza di circa 0,1 mm. Questa performance straordinaria è stata il risultato di diversi fattori, compresa la performance eccellente dello strumento, un laboratorio con una stabilità termica e vibratoria di alto livello, un eccellente metodologia di misura e la provata abilità degli operatori. Il Leica TDA5005 viene usato per svolgere i seguenti compiti nel contesto del progetto Opera: installazione delle parti principali del rilevatore montaggio dei componenti in relazione tra loro messa a punto dei componenti in relazione tra loro allineamento del rilevatore e degli accessori sorveglianza periodica del controllo della geometria del rilevatore manutenzione preventiva e correttiva dell installazione Anche l installazione delle piste che permettono al robot di eseguire movimenti precisi, è stata ottimizzata grazie a misure effettuate con il Leica TDA5005 attraverso la creazione di numerosi accessori da parte degli operatori del sistema. Di conseguenza, è stato possibile registrare diverse misure durante l installazione. Il capo del progetto di allineamento Opera spiega brevemente che il progetto Opera, che è un esperimento imponente e unico, consiste di numerosi assiemi molto precisi. Dovevamo poter contare sugli assiemi e sul loro allineamento finale soprattutto per quei componenti che sono soggetti a uso intensivo e una sorveglianza potenziata. Inoltre ci servivano tutti i tipi di misure progressive che si potevano effettuare con un certo grado di flessibilità, senza dover interferire con l installazione. Il Leica TDA5005 ci ha consentito di sviluppare capacità interne e di definire nostri metodi e procedure senza la necessità di rivolgerci a partner esterni costosi e spesso inefficienti. Abbiamo fatto pertanto del Leica TDA5005 uno strumento completo, eseguendo noi stessi numerosi esperimenti metrologici su piccola scala, oltre alle migliaia di misure programmate! Abbiamo anche sviluppato i necessari accessori per l interfacciamento con il rilevatore e per ottenere misure molto precise delle caratteristiche per noi interessanti. Il sistema, preciso e facile da usare, soddisfa completamente le nostre esigenze. Il Signor Auterio continua concludendo che Questo progetto globale ha beneficiato della presenza globale dei nostri partner, prima Leica Geosystems e poi Hexagon Metrology. L esperienza di collaborare con un gruppo internazionale è autenticamente positiva. Siamo sempre stati in grado di contare sulla disponibilità locale del centro di Lione assieme al team italiano sul posto. Per il prossimo programma di fisica nucleare globale che si svolgerà in Giappone, il Signor Auterio è già impaziente di poter utilizzare la professionalità e competenza di Leica Geosystems nelle filiali e partner giapponesi del gruppo Hexagon Metrology! Lavorare con un gruppo presente in tutti i continenti è decisamente un lato positivo importante in progetti delle dimensioni di Opera e tutti i progetti futuri analoghi. Anne Willimann

5 Sono stati sviluppati numerosi supporti del target nell ambito del progetto per contribuire a garantire che le migliaia di misure richieste fossero più precise possibile. In tre anni, siamo diventati dei veri esperti nel campo della metrologia, spiega il Signor Auterio, che continua dicendo: Il sistema, la sua modularità, versatilità e portabilità, soddisfa completamente le nostre esigenze molto elevate. Lo sapevate? La ricostruzione dell impatto di un neutrino, registrata in un mattone e analizzata da un laboratorio nel progetto Opera, attrezzato con microscopi automatici necessari per decifrare le immagini e misurare i parametri fisici che interessano. I neutrini sono probabilmente le più numerose particelle elementari dell universo, ma sono anche le più difficili da studiare a causa della loro natura estremamente timida. I neutrini interagiscono debolmente con la materia e possono viaggiare attraverso la terra intera, che è per loro quasi trasparente. I neutrini trasportano informazioni preziose sulla nascita e l evoluzione dell universo, ad esempio relative alla preponderanza della materia sull antimateria o l evoluzione e l estinzione delle stelle. Le proprietà dei neutrini rappresentano un opportunità unica di spiegare come si possono unificare le leggi fondamentali della fisica in una singola legge (la teoria della Grande Unificazione) l obiettivo fondamentale e il sogno dei fisici.

6 Se state costruendo la macchina più veloce, l aereo più grande o un attrezzatura che richiede grande precisione, avete bisogno di misure adeguate alla qualità di ciò che volete realizzare. Quando le cose devono essere assolutamente precise e in tolleranza affidatevi senza problemi a Leica Geosystems Metrologia. La Metrologia di Leica Geosystems include fra i suoi numerosi prodotti per il controllo e le misure industriali anche i sistemi basati sulla tecnologia di posizionamento locale (LPT), il software 3D e le stazioni totali di alta precisione. Tutti sistemi che fanno dell acquisizione dati, della prototipazione rapida e dell analisi 3D il loro punto di forza. Tutti coloro che usano quotidianamente i sistemi metrologici Leica lo fanno per l affidabilità, la resa e l assistenza e supporto di livello mondiale che Leica Geosystems riesce a offrire. Precisione, affidabilità e assistenza da Leica Geosystems Metrologia. Leica Geosystems Metrology Products Moenchmattweg 5 CH-5035 Unterentfelden Svizzera Tel Fax Hexagon AB Tutti i diritti riservati.