I QUATTRO ESPERIMENTI
DELL’ LHC AL CERN
LHC, l'acceleratore del futuro
Gran parte del lavoro che viene svolto oggi al CERN è finalizzato
alla costruzione del Large Hadron Collider (Grande collisore di
adroni) e alla preparazione degli esperimenti collegati.
L'acceleratore - del tipo protone-protone - viene costruito all'interno
dello stesso tunnel circolare di 27 km di lunghezza in precedenza
utilizzato dal LEP, che ha smesso di funzionare nel novembre 2000.
Il complesso di acceleratori PS/SPS verrà utilizzato per preaccelerare i protoni che in seguito verranno immessi nell'LHC. Il
tunnel si trova mediamente a 100 m di profondità, in una regione
compresa tra l'aeroporto di Ginevra e la catena montuosa dello Jura.
La progettazione di LHC ha richiesto una precisione straordinaria:
basti pensare che per mantenere stabili le orbite dei fasci (che
raggiungono i 7 TeV di energia - 1 TeV = 1 teraelettronvolt = 1012 eV
- un valore mai raggiungo in precedenza), è necessario ricorrere alla
tecnologia dei superconduttori e tenere conto dell'influenza della
forza di attrazione gravitazionale esercitata dalla Luna sulla crosta
terrestre.
Esperimenti al LHC
Il programma scientifico di LHC prevede quattro esperimenti:
•ALICE: è un apparato alto 16 metri e lungo 20 che studia collisioni fra
nuclei di piombo anziché fra protoni. E' qui che i fisici sperano di riuscire
a ricreare il plasma di particelle (quark e gluoni), ossia lo stato della
materia esistito per pochi miliardesimi di secondo subito dopo il Big
Bang.
•ATLAS: alto come un palazzo di cinque piani, è il più importante
rivelatore dell'Lhc. Oltre a dare la caccia a bosone di Higgs, materia
oscura e antimateria, cercherà di verificare se in realtà le forze della
natura sono una sola, se esistono superparticelle (o particelle ombra di
quelle previste dalla fisica attuale) e se esistono anche nuovi mattoni
della materia e nuove forze
•CMS: Compact Muon Solenoid, andrà a caccia del bosone di Higgs,
la particella in grado di far aggregare tutte le altre particelle e dalla
quale dipende la massa. Inoltre cercherà di spiegare perché la
materia ha finito con il prevalere sull'antimateria e indagherà sulla
materia oscura. E' un gigantesco rivelatore che contiene il più grande
solenoide del mondo, pesante 12.500 tonnellate.
•LHCb: Large Hadron Collider beauty, cercherà di capire che
cosa è successo fra materia e antimateria subito dopo il Big
Bang grazie ai suoi 435 metri quadrati di rivelatori.
Esperimento ALICE
ALICE coinvolge una collaborazione di oltre 1000 fisici, ingegneri e
tecnici provenienti da più di 30 diverse nazioni. L'esperimento
ALICE è pensato per studiare nel modo più efficiente le interazioni
fra ioni piombo che verranno accelerati da LHC ad energie
ultrarelativistiche (l'energia nel centro di massa è di 5.5 TeV per
nucleone). Il suo obbiettivo è lo studio del Quark Gluon Plasma e
dei fenomeni ad esso associati e date le notevoli caratteristiche del
rivelatore, esso potrà contribuire significativamente anche ai
risultati della fisica delle interazioni p+p, cui sono primariamente
dedicati gli esperimenti ATLAS e CMS
Struttura
L'apparato sperimentale è costituito da un magnete solenoidale e da più
rivelatori, funzionanti sulla base di tecniche differenti ma complementari,
per la gran parte contenuti entro il magnete e disposti a simmetria
cilindrica attorno all'asse dei fasci di LHC. Ciò garantisce al sistema la
capacità di rivelare, con alta efficienza, l'enorme moltitudine di particelle
di diverse specie prodotte negli urti ione-ione.
L'apparato misura complessivamente circa 20 metri in lunghezza e 16
in altezza e larghezza.
Partendo dal volume a ridosso della zona d'interazione e
muovendosi radialmente verso l'esterno vi sono: il rivelatore di
vertice ITS, costituito da 6 strati cilindrici di rivelatori
rispettivamente a pixel di silicio, a deriva di silicio e a microstrip di
silicio; una camera di tracciamento a gas (TPC); rivelatori per
elettroni, positroni ed altre particelle ad alto impulso (TRD,
HMPID); un rivelatore di tempo di volo (TOF); uno spettrometro
per fotoni (PHOS); un calorimetro elettro-magnetico (EMCal).
Fuori dal magnete vi sono poi uno spettrometro per muoni,
rivelatori dedicati al trigger e a misure calorimetriche a piccoli
angoli, rivelatori di monitor per raggi cosmici.
Obbiettivi
I risultati dello studio dei fenomeni associati al Quark Gluon Plasma
condurranno ad una migliore e più ampia comprensione della natura
della interazione forte, altrimenti non ottenibile da reazioni che
comportino pochi nucleoni nel canale d'ingresso. Essi forniranno
anche importanti risultati con cui confrontare le previsioni di evoluzione
dell'Universo nei suoi primi istanti di vita dopo il Big Bang; gli urti
centrali fra ioni piombo ad LHC costituiranno infatti quelli che vengono
detti dei Little Bang, ovvero Big Bang su piccolissima scala.
Esperimento ATLAS
Il rivelatore è lungo 46 metri con un diametro di 25 metri e pesa
circa 7,000 tonnellate. Al progetto partecipano
approssimativamente 2000 scienziati ed ingegneri, divisi tra 165
istituti e 35 nazioni. L'esperimento è stato progettato per osservare
fenomeni che riguardano particelle pesanti che non sono mai state
osservate usando gli attuali acceleratori a più bassa energia e per
far luce su nuove teorie di fisica delle particelle oltre il Modello
Standard. È un esperimento "general purpose" che avrà la
possibilità di studiare tutti i processi previsti dal Modello Standard
e dalle sue estensioni Supersimmetriche, oltre che a rivelare
segnali di "nuova fisica".
Struttura
ATLAS è costituito da più rivelatori le cui specifiche caratteristiche
sono state scelte in fase di progettazione come le più indicate per la
rivelazione dei processi di Fisica che si intendono studiare. Ogni
rivelatore è dedicato alla misura di una grandezza fisica (energia dei
prodotti della reazione, traiettoria, tipo di particelle, …).
Il rilevatore ATLAS consiste di una serie di cilindri concentrici attorno
al punto di interazione, cioè dove si scontrano i fasci di protoni dell'LHC.
Può essere diviso in quattro parti principali: il rilevatore interno,
i calorimetri, gli spettrometri muonici ed il sistema di magneti. I
rilevatori sono complementari: il rilevatore interno traccia precisamente
le particelle, i calorimetri misurano l'energia delle particelle più facili da
arrestare e lo spettrometro muonico genera ulteriori misure sui muoni
più penetranti. Il sistema di magneti deflette le particelle cariche nel
rilevatore interno e nello spettrometro muonico, permettendo così la
misurazione delle loro quantità di moto.
Le sole particelle stabili a non poter essere rilevate direttamente
dall'ATLAS sono i neutrini: la loro presenza è dedotta da apparenti
violazioni della conservazione della quantità di moto durante una
collisione. Per svolgere questo compito, il rilevatore deve essere
"ermetico", deve cioè permettere la misura di tutte le altre particelle,
senza punti ciechi. Mantenere l'efficienza dei rilevatori in un'area
soggetta ad intense radiazioni come quella che circonda il punto di
interazione è una sfida ingegneristica non indifferente
Obbiettivi
Per quanto riguarda ATLAS sono tra principali obiettivi di ricerca:
•la conferma del Modello standard tramite la rivelazione del bosone di
Higgs
•la ricerca di segnali di "nuova Fisica"
•lo studio della fisica del quark top
•la violazione di CP
•rivelazione di W e Z pesanti
Esperimento CMS
Uno degli obiettivi principali dell'esperimento è la ricerca del bosone di
Higgs, ingrediente fondamentale del Modello Standard della unificazione
elettrodebole. Secondo questa teoria, tutte le particelle devono le loro
masse all'interazione con il campo di Higgs. Per la massa di questa
particella, la teoria pone solo un limite superiore di circa 1 TeV (1012 eV),
e CMS è stato progettato per permettere di esplorare la regione di massa
compresa tra gli attuali limiti sperimentali (poco oltre 100 GeV) fino a
questo limite superiore.
Secondo alcune indicazioni sperimentali, la massa di questa
particella dovrebbe però essere di poco superiore ai limiti attuali ed in
questo caso il canale di decadimento privilegiato per la sua scoperta
sarebbe quello in due fotoni. Il calorimetro elettromagnetico ad alta
risoluzione di CMS è stato progettato proprio per questa ricerca.
Struttura
CMS è stato quindi progettato per essere un rivelatore "generalpurpose", in grado di studiare molti aspetti delle collisioni dei
protoni a 14 TeV. È costituito da una struttura cilindrica del peso di
12500 tonnellate lunga 21 metri e con diametro di 16 metri.
È strutturato in sotto-rivelatori che permettono la misura di energia e
momento di fotoni, elettroni, muoni ed altri prodotti di collisione.
Internamente vi è un sistema di tracciamento con rivelatori al silicio,
circondato da un calorimetro elettro-magnetico a cristalli scintillanti. Il
calorimetro elettro-magnetico è a sua volta circondato da un
calorimetro adronico a campionamento.
Tracciatori e calorimetri sono racchiusi all'interno del solenoide di
CMS, in grado di generare un campo magnetico di 4 T parallelo
all'asse dei fasci. All'esterno di questo solenoide trovano posto i
rivelatori di muoni, conglobati nel giogo di ritorno del campo
magnetico. I fasci di LHC sono organizzati in pacchetti contenenti
circa 1011 protoni che si incrociano ogni 25 ns producendo ogni
volta una ventina di collisioni p-p, cioè 800 milioni di collisioni al
secondo. I circa 15 milioni di canali di elettronica che costituiscono
l'acquisizione dei rivelatori devono essere quindi in grado di
sopportare questa altissima frequenza di eventi.
I segnali delle particelle vengono analizzati da elettroniche veloci
per selezionare solo gli eventi che più probabilmente contengono
la fisica di interesse (circa 100 al secondo). Gli eventi che passano
questa selezione di verranno successivamente analizzati da centri
di calcolo distribuiti in giro per il mondo ma interconnessi ("Grid")
per produrre informazioni che permettano di selezionare gli eventi
più interessanti che potrebbero indicare la presenza di nuove
particelle o fenomeni fisici.
Obbiettivi
Gli scopi principali di CMS sono:
•lo studio della fisica delle particelle sulla scala dei TeV
•la ricerca del bosone di Higgs
•la ricerca di un'evidenza dell'esistenza della supersimmetria
•la ricerca di nuove dimensioni spazio-temporali
Esperimento LHCb
LHCb (acronimo di Large Hadron Collider beauty) è un
esperimento dell'acceleratore LHC del CERN che ha lo scopo
di misurare i parametri della violazione CP e decadimenti e
fenomeni rari relativi agli adroni in cui è presente il quark
beauty (quark b).
Struttura
Il rivelatore di LHCb specificatamente progettato per rivelare i prodotti
di decadimento dei mesoni B, è uno spettrometro in avanti, cioè tale da
coprire angoli relativamente piccoli (< 17°) rispetto alla direzione dei dei
fasci collidenti, dove i mesoni B vengono prodotti con maggiore
probabilità
E’ costituito da una serie di rivelatori di diverso tipo, posizionati in
successione al di là del punto di interazione. Un sotto-rivelatore
particolarmente importante è il VELO (Vertex Locator), un rivelatore
astrip di silicio finalizzato alla rivelazione delle tracce delle particelle
cariche in prossimità del punto di interazione, essendo distante solo 8
mm dai fasci di protoni. Questo detector consente di stabilire con
altissima precisione il punto in cui sono prodotti i mesoni B.
Le tracce delle particelle cariche prodotte nel decadimento dei mesoni
B vengono identificate da un sistema di tracciamento costituito da
rivelatori a strip di silicio e a gas (straw tubes), immersi nel campo
magnetico generato da un dipolo magnetico da 4.2 Tm.
Altri sotto-rivelatori molto importanti sono quelli dedicati alla
discriminazione dei diversi tipi di particelle (pioni, kaoni, protoni, etc),
i cosiddetti RICH detectors, il cui funzionamento è legato ad un
particolare fenomeno detto emissione di luce Cherenkov, quelli
dedicati alla misura dell’energia delle particelle, il calorimetro
elettromagnetico ed adronico, e quello dedicato alla rivelazione
dei muoni (particelle simili agli elettroni, ma con massa circa 200
superiore), detto muon system.
Rivelatore
LHCb
Schema
spettometro
LHCb
Obbiettivi
LHCb è uno dei quattro principali esperimenti presso il Large Hadron
Collider, il più grande e potente acceleratore di particelle mai
costruito, attualmente in funzione al CERN. Tra gli obiettivi principali
dell’esperimento c’è lo studio dei meccanismi che hanno portato,
nell’Universo primordiale, ad una piccola asimmetria tra materia e
antimateria, originariamente prodotte in egual misura nel Big Bang.
Oggi si ritiene infatti che proprio tali meccanismi siano i responsabili
del fatto che l’Universo attuale (pianeti, stelle, galassie) è costituito
quasi esclusivamente da materia.
IN CONCLUSIONE, A COSA
SERVE TUTTO CIO’?
C'è chi (giustamente) chiede se questi esperimenti saranno utili
all'umanità o se potranno invece avere implicazioni belliche!
Dovete sapere che al CERN collaborano persone provenienti
da tutti i paesi del mondo. E' uno dei pochi luoghi in cui
riescono a lavorare insieme persone provenienti da paesi in
guerra tra loro, come ad esempio israeliani e palestinesi. In
questo senso il CERN è un laboratorio di pace.
Per quanto riguarda l'LHC si tratta di ricerca di base e non
applicata. Dunque le scoperte saranno utilizzate dai
rispettivi paesi che partecipano tra anni, decine di anni.
Inoltre una delle garanzie per l'utilizzo pacifico delle scoperte
scientifiche al Cern è proprio la condivisione delle conoscenze. Non c'è
la segretezza che contraddistingue invece le applicazioni militari.
Infine, facciamo notare che i 6 miliardi di euro, racimolati con fatica in
20 anni con numerosi tagli alla ricerca, sono briciole spalmante su 40
paesi, oltretutto se confrontate con la spesa militare che ogni anno ad esempio - effettua la sola Italia: 30 miliardi di euro/anno! O
pensiamo ai 500 miliardi di euro spesi in armamenti dagli USA, nel
solo 2006 (fonte SIPRI).
Sitografia
www.repubblica.it
www.lhcitalia.it
www.ilfattoquotidiniano.it
Stefano Mazzotta & Filippo Testa 5^G