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Alla frontiera della scienza

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Alla frontiera della scienza
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
S
ono 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
È perfettamente prevedibile che la qualità “indovrebbe essere postellettuale” più diffusa degli esseri umani sia
sibile osservare tutla credulità. Oroscopi dovunque, in ogni tipo
ta una serie di nuodi mass media, lotterie basate su la “fortuna”,
ve particelle finora
pubblicità commerciale menzognera, e così
solo ipotizzate teovia. La credulità è inesauribile. Tra la chericamente, che pomioterapia e un cornetto portafortuna, molti
trebbero tra l’altro
tratterebbero un tumore con il cornetto.
chiarire fenomeni
I fisici che stanno per fare esperimenti con
di astrofisica, come
LHC al CERN di Ginevra vanno ingenuaper esempio la dimente dicendo che ciò che si produce in una
collisione protone-protone a quelle energie
namica delle gacorrisponde a un processo che si realizzava
lassie. Nelle collinei primi istanti dell’Universo, ai tempi del misioni di due protoni
tico Big Bang. Non tengono conto del fatto
si riprodurranno in
che Big Bang è una epressione diabolica,
laboratorio i procome Buco Nero e altre terrificanti evocazioni
cessi elementari che
cosmologiche. La gente si spaventa: sarà sipensiamo dovessecuro fare un esperimento così? Non è periro permeare il no-
A volte ritornano
PAG. 62 SAPERE - OTTOBRE 2008
stro Universo circa un milionesimo di miliardesimo di secondo
dopo l’inizio del Big Bang, quando la temperatura sarebbe
stata circa 1017 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 14.000 volte quella corrispondente alla massa a riposo di un protone (dalla relazione E=mc2) (TeV
= 1000 GeV = 1,6 ·
coloso? E se ancora nessuno lo ha mai fatto,
10–7 Joule).
come fanno a sapere che non ci sono rischi?
La tecnica dei colliEd ecco che qualche scienziato esibizionista,
sori consiste nel far
nella migliore tradizione dei rotocalchi, decircolare due fasci
cide di provocare un caso, di fare un po’ di
baccano sfruttando la fame inestinguibile dei
di particelle di alta
giornalisti. E, senza vergognarsi di ciò che
energia, controrofa, si rivolge a un tribunale internazionale
tanti in una stessa
chiedendo di fermare la “minaccia incommacchina circolare,
bente”: non è la prima volta che ci provano,
facendoli incrociare
già qualche anno fa accadde qualcosa di siin punti prestabiliti.
mile per un esperimento americano. La reaNata in Italia alla
zione dei giornali, dalle Hawai all’Europa, è
fine degli anni Cinpuntuale e vistosa: tutti, grandi e piccini, ci si
quanta presso i Labuttano sopra. Il telefono squilla in continuaboratori Nazionali
zione. Che dire? “Tranquilli, il Big Bang è ridi Frascati, su sugmandato”. Viene voglia di dire che Nostradamus non lo aveva previsto per oggi: ma
gerimento del fitemo che qualcuno si scatenerebbe in intersico Bruno Toupretazioni autentiche di profezie. Per fortuna,
schek, inizialmente
i nostri autori spiegano, a chi vuole capirlo,
fu impiegata per
ciò che veramente si fa. C.B.
collisioni elettrone-
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
Tabella 1. Coppie di fermioni elementari noti.
quark
u up
c
charm
t
d
s
strange
b
down
ne
leptoni
neutrino - e
nm
e
beauty
2
+–
3
1
––
3
nt
0
m
t
muone
tau
–1
neutrino - m
elettrone
top
neutrino - t
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.
Bosoni
mediatori
Alcune caratteristiche
principali
Interazione
elettromagnetica
Agisce su quark, leptoni e bosoni con carica elettrica. Raggio
d’azione illimitato.
Fotone g
Ha massa nulla.
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.
Interazione forte
Agisce su quark e
gluoni, i leptoni non
ne risentono. Raggio
d’azione ≤ 10–15 m.
Gluoni g
Sono otto e hanno
massa nulla.
Lega i quark a formare il
protone, il neutrone e altre
particelle a interazione
forte. Lega protoni e neutroni nei nuclei atomici.
Interazione debole
Agisce su quark e leptoni. Raggio d’azione
≤ 10–18 m.
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.
Bosoni carichi W+ e Trasforma i quark u, c, t, in
W– Massa: 80,4 GeV quark d, s, b e viceversa,
inoltre i leptoni e, m, t nei rispettivi neutrini e viceversa.
È l’interazione debole che, a
Bosone neutro Z0
differenza di quella carica,
Massa: 91,2 GeV
non trasforma le particelle.
Forza
carica
neutra
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.
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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 Z0, 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 1983. Alcuni modelli teorici suggeriscono inoltre l’unificazione dell’interazione
elettrodebole con l’interazione forte a energie estremamente
elevate (maggiori di 1015 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 Z0, 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.
m+
g
g
t
–
t
t
H
m–
Z0
Z0
e–
e+
terza pagina/fisica delle particelle
Il Modello Standard (SM)
LHC sia sufficiente per prodescrive i fermioni, i bodurle e permetterne la scosoni mediatori e le loro inperta. L’osservazione di
terazioni, tuttavia, per spieparticelle supersimmetrigare la loro massa è stato
che amplierebbe notevolnecessario introdurre un
mente il numero di matnuovo processo, noto
toni fondamentali e pocome meccanismo di
trebbe anche fornire una
Higgs (dal nome di uno
spiegazione al problema
dei fisici che per primi lo
della “materia oscura” delhanno proposto), capace
l’Universo. Difatti diverse
di attribuire una massa alle
misure di astrofisica indiparticelle. Questo meccacano chiaramente che la
nismo implica l’esistenza
materia luminosa da noi
di un nuovo bosone con
osservata rappresenta il
spin 0, detto bosone di
4% dell’energia dell’UniHiggs, la cui massa tuttavia
verso, mentre il 23%, non
non è prevista dalla teo- Fig. 2. Lungo la circonferenza dell’acceleratore LHC sono disposti quattro ap- emettendo alcun tipo di
parati sperimentali (ATLAS, CMS, LHC-b ed ALICE) pronti a studiare le collisioni
ria. La consistenza della di fasci di protoni di alta energia che questa macchina si appresta a produrre. radiazione elettromagneteoria richiede solo che la
tica, risulta invisibile (da
sua massa sia inferiore a 1
qui dark matter o materia
TeV mentre gli attuali limiti sperimentali indicano che proba- oscura) alla nostra osservazione diretta basata sulla ricezione di
bilmente dovrebbe esser compresa tra 114 e 192 GeV. Ci si onde elettromagnetiche (luce, onde radio, etc.); il restante 73%
aspetta quindi che il bosone di Higgs possa esser prodotto essendo costituito da una forma di energia a noi sconosciuta
nelle interazioni di protoni a LHC e la sua osservazione, senza (detta dark energy o energia oscura). Non sappiamo oggi di
dubbio uno degli obiettivi primari della fisica dei nostri giorni, cosa sia composta la materia oscura ma, se esistono, le particelle
è perciò una delle motivazioni principali del progetto LHC del supersimmetriche neutre di minor massa potrebbero essere dei
CERN.
buoni candidati. Infatti, sarebbero presenti nel nostro Universo
Il protone è una particella composta formata da quark (con pre- come residui del Big Bang iniziale e, interagendo molto poco
valenza di due quark up e uno down), antiquark e gluoni: con la materia ordinaria, sarebbero osservate solo indirettamente
questi componenti elementari sono chiamati in generale par- attraverso effetti gravitazionali. Tra questi, per esempio, la cotoni. Lo scambio di gluoni tra quark e antiquark e l’interazione stanza della velocità di rotazione delle parti di una galassia al cretra gli stessi gluoni tengono uniti i partoni nel protone. Nelle scere della distanza dal suo centro.
collisioni più “frontali” di due protoni, in realtà, l’interazione
avviene tra uno o più partoni di un protone e uno o più parIl nuovo acceleratore
toni dell’altro protone. Le interazioni partone-partone di più
alta energia sono quelle che danno luogo agli eventi più inte- Il Large Hadron Collider si trova in un tunnel circolare sotterressanti, come per esempio la produzione del bosone di Higgs raneo di 27 chilometri scavato a circa 100 metri di profondità al
di sotto della campagna tra la città di Ginevra e le montagne del
schematizzata in figura 1.
Anche dopo l’eventuale osservazione del bosone di Higgs e la Giura, proprio dove passa il confine tra la Francia e la Svizzera
misura della massa, rimarrebbe comunque da comprendere (Fig. 2).
cosa determini il valore della scala di energia della sua massa. Come detto, il tunnel era stato costruito negli anni Ottanta per
Tra le teorie che potrebbero dare una soluzione a questo pro- ospitare il LEP, il grande collisore di elettroni e positroni (anblema e contribuire all’unificazione delle interazioni fonda- tielettroni) che tra il 1989 e il 2000, ha permesso di effettuare
mentali ci sono le teorie Supersimmetriche (SUSY) che, com- misure di alta precisione dei parametri del Modello Standard.
prendendo il Modello Standard, assumono una simmetria più Nel caso di LHC, pacchetti di protoni con una energia di 0,450
estesa tra particelle a spin intero e particelle a spin semintero TeV sono immessi nel collisore usando l’intero complesso di
prevedendo l’esistenza di nuove particelle superpartner di macchine acceleratrici di protoni usate in passato al CERN per
quelle finora scoperte. Queste superparticelle, per alcune delle le indagini più avanzate della fisica subnucleare. In LHC i proquali si ipotizza una massa intorno al TeV, non sarebbero an- toni sono suddivisi in due fasci mantenuti su traiettorie circolari
cora state osservate semplicemente perché troppo pesanti per percorse in direzioni opposte, distanti tra loro pochi centimetri.
essere prodotte dagli acceleratori finora usati. Ci sono però Durante la fase di accelerazione, ogni protone raggiunge
buoni motivi per pensare che, qualora esistessero, l’energia di un’energia di 7 TeV. Protoni di questa energia hanno una velo-
SAPERE - OTTOBRE 2008 PAG. 65
cità inferiore di
Gli esperimenti
ECAL
HCAL
una parte su cento
IRON YOKE
milioni rispetto a
I principali esperiquella della luce e
menti che analizper curvare la loro
zeranno le collitraiettoria e mansioni protone-protenerli su orbite
tone prodotte ad
circolari compatiLHC sono quattro:
bili con le dimenATLAS (A Toroidal
sioni del tunnel,
Lhc ApparatuS), CMS
sono necessari cam(Compact Muon
MUON ENDCAP
pi magnetici estreSolenoid), LHC-b
mamente elevati
(Large Hadron ColBOBINA
raggiungibili solo
lider beauty) e
SUPERCONDUTTRICE
con magneti suALICE (A Large
TRACCIATORE
perconduttori.
Ion Collider ExpeLungo la circonriment). I primi
MUON BARREL
ferenza di LHC
due sono esperiMUON ENDCAP
sono infatti distrimenti con un probuiti circa 9.600
gramma scientifico
magneti di vario Fig 3. I principali componenti dell'apparato sperimentale CMS: il tracciatore interno, la bobina molto vasto, censuperconduttrice, il calorimetro elettromagnetico (ECAL), il calorimetro adronico (HCAL), il
tipo e con diverse giogo di ritorno (iron yoke) e, infine, i rivelatori dello spettrometro per muoni (un muon barrel trato innanzitutto
funzioni, che gui- e due muon endcap).
sulla ricerca del
dano i protoni esatbosone di Higgs e
tamente sulle traiettorie prestabilite. In particolare, tra questi di nuova fisica (per esempio particelle supersimmetriche) e di
ci sono 1.232 dipoli magnetici superconduttori, lunghi ognuno loro parleremo fra poco diffusamente.
15 metri, con all’interno un campo magnetico maggiore di 8 L’esperimento LHC-b è dedicato allo studio di particelle con
Tesla (circa 100 mila volte il campo magnetico terrestre), cioè quark beauty ed in particolare studierà la violazione della simquanto richiesto per curvare il percorso dei protoni. Tutti i metria CP in queste particelle. La validità di questa simmetria
magneti superconduttori per poter funzionare sono raffred- richiede che un processo tra particelle avvenga con la stessa
dati a 1.9 K da un imponente sistema di criogenia che rea- probabilità del processo che si ottiene osservando il primo
lizza nel tunnel di LHC una zona estesa più fredda della ra- in uno specchio (equivalente allo scambio della destra con
diazione cosmica di fondo che ha una temperatura pros- la sinistra) e allo stesso tempo scambiando le particelle con
sima a 3 K.
le corrispondenti antiparticelle. Ciò corrisponderebbe a una
I protoni circolanti in ciascuna direzione sono raggruppati in completa simmetria tra materia e antimateria con la conse2.808 pacchetti, contenenti ognuno fino a 100 miliardi di guenza che nell’Universo primordiale avrebbe dovuto esprotoni. I pacchetti sono lunghi solo 7,6 centimetri e hanno sere prodotta la stessa quantità di materia e di antimateria
un diametro di appena 16 micrometri: le dimensioni di un mentre il nostro Universo è composto di sola materia. Nel
capello sottile. Dopo la fase di accelerazione i due fasci cir- 1964 è stata scoperta una piccolissima violazione della simcolanti nella macchina sono mantenuti sulle loro orbite per metria CP e quindi un’asimmetria tra materia ed antimateria.
quasi dieci ore durante le quali i pacchetti di un fascio sono Si pensa che un’asimmetria di questo tipo potrebbe aver defatti incrociare con quelli dell’altro fascio in quattro punti di terminato nelle prime fasi dell’Universo la scomparsa delinterazione intorno ai quali sono stati montati i quattro espe- l’antimateria.
rimenti ATLAS, CMS, LHC-b e ALICE per l’osservazione delle Dopo un primo periodo di collisioni protone-protone, in LHC
particelle emesse nelle collisioni. Quando LHC funzionerà saranno immessi e fatti collidere due fasci di ioni pesanti
nella sua configurazione di progetto (massima potenza) si (piombo) con un’energia di 572 TeV ognuno (pari a 2,76 TeV
avrà un incrocio di pacchetti ogni 25 nanosecondi (cioè 40 per nucleone). Per lo studio di queste collisioni, che richiede
milioni di incroci per secondo), a ogni incrocio si avranno un apparato sperimentale con speciali caratteristiche, è stato
circa 20 collisioni tra coppie di protoni appartenenti a pac- preparato l’esperimento ALICE. In particolare nelle collisioni
chetti opposti e in ogni collisione circa 100 delle particelle tra ioni si spera di osservare la formazione di un plasma di
prodotte attraverseranno i rivelatori di un esperimento come quark e di gluoni. In questo stato della materia, quark e gluoni
ATLAS o CMS. Per comprendere quanto siano elevate le non sarebbero più confinati in particelle elementari (come proenergie in gioco basti pensare che a quel regime tutti i pro- toni o neutroni) ma formerebbero piuttosto una specie di
toni circolanti in LHC, la cui massa totale raggiunge solo un “zuppa” molto calda e densa. È questo uno stato della materia
miliardesimo di grammo, avranno insieme un’energia che avrebbe riempito il nostro Universo alla fine del primo miuguale all’energia cinetica di 900 automobili, ognuna della crosecondo della sua vita.
massa di una tonnellata, lanciate a 100 chilometri all’ora.
Sia la ricerca del bosone di Higgs sia quella di segnali di nuova
PAG. 66 SAPERE - OTTOBRE 2008
terza pagina/fisica delle particelle
fisica richiedono una rivelazione sicura e una misura accurata ATLAS (per CMS le dimensioni sono simili), è immerso in un
dell’energia di fotoni, elettroni (e positroni), muoni, tau, campo magnetico, diretto lungo l’asse del rivelatore, che curva
nonché di getti di particelle che possono essere originati da la traiettoria delle particelle cariche prodotte nelle collisioni.
gluoni o da quark come per esempio quelli prodotti in asso- Dalla misura della curvatura è possibile determinare la quanciazione al bosone di Higgs o nella sua disintegrazione. L’er- tità di moto con cui la particella è stata generata. In ATLAS il
meticità degli apparati sperimentali, ossia la copertura con ri- magnete produce un campo magnetico di 2 Tesla, mentre
velatori, il più completa possibile, della zona circostante il quello di CMS permette di produrre un campo di 4 Tesla. Nel
punto di interazione, permette inoltre di misurare l’energia caso di CMS questo magnete, il più grande solenoide super“mancante” dell’evento, cioè quella che sfugge alla rivelazione conduttore finora costruito, rappresenta l’unico magnete pree che va attribuita alla produzione nella collisione di neutrini sente nell’apparato, mentre in ATLAS, come si dirà, altri tre
o di nuove particelle (per esempio supersimmetriche) che grandi magneti toroidali in aria sono disposti più all’esterno.
escono dall’apparato senza rilasciarvi alcun segnale.
Nell’Inner Detector la traiettoria delle particelle cariche è deL’elevata frequenza delle collisioni tra i protoni, necessaria per terminata dalle misure di posizione effettuate su più piani di
raggiungere un’alta “luminosità” del collisore, che corrisponde rivelatori di silicio. Questi rivelatori producono un segnale
alla possibilità di osservare un numero ragionevole di eventi quando sono attraversati da una particella ionizzante e sono in
che hanno una piccola probabilità di produzione, ha imposto grado di misurare la posizione della linea di volo della partiparticolari condizioni nel disegno degli apparati sperimentali. cella con un errore di pochi micrometri. Ciò naturalmente
In primo luogo, è stato necessario progettare rivelatori rapidi, comporta un numero elevatissimo di canali di lettura, dell’orcon un’elettronica di lettura dei segnali abbastanza veloce, ca- dine di 108 (cento milioni). Nel caso di ATLAS gli strati più
paci di distinguere tra loro le collisioni dei pacchetti di protoni esterni del tracciatore centrale sono realizzati con la tecnica
che si susseguono con un intervallo temporale di 25 nanose- tradizionale dei tubi a deriva: questo consente di disporre di
condi, e allo stesso tempo realizzare apparati in grado di sop- un maggiore numero di punti di misura delle traiettorie. Nei riportare per un periodo di tempo di almeno 10-15 anni gli ele- velatori centrali la quantità di moto di una particella di 50
vati flussi di radiazione prodotti durante il funzionamento della GeV/c viene misurata con un’incertezza dell’ordine dell’1%.
Il rivelatore centrale di tracce è circondato dal calorimetro.
macchina acceleratrice.
Lungo complessivamente 46 metri, con un diametro di 25 Questo rivelatore è costituito dal calorimetro elettromagnemetri e un peso di 7.000 tonnellate, ATLAS è il più grande ap- tico, posto subito dopo l’ID, seguito dal calorimetro adroparato sperimentale mai costruito. CMS invece si presenta nico. Con il primo si identificano gli elettroni e i positroni
come un apparato più compatto, lungo 22 metri e con un dia- (cioè e±) e i fotoni (g) prodotti nella collisione e se ne mimetro di 15 metri con una massa di 14.500 tonnellate (Fig. 3). surano le energie. Una misura precisa dell’energia di queste
particelle è infatti fondamenA questi due esperimenti partale per osservare la produtecipano complessivamente
zione di nuove particelle.
circa 4.000 fisici.
ATLAS dispone di un caloriSebbene la struttura degli
Sono circa 800 i fisici italiani che partecipano agli esperimenti con
metro basato su una tecnoesperimenti ATLAS e CMS sia
LHC. Non solo: molti dei rivelatori dei vari esperimenti sono stati cologia ben collaudata, che utisimile, le scelte adottate per la
struiti nei laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)
lizza argon liquido come marealizzazione dei vari rivelao delle nostre università. La presenza italiana è rilevante anche tra
teriale sensibile per la misura
tori che compongono i due
i fisici che si occupano della gestione dei dati registrati negli espedell’energia di elettroni e foapparati sperimentali sono
rimenti e tra coloro che si preparano all’analisi degli eventi. Molti
sono giovani ricercatori, dottorandi e studenti che dedicano la loro
toni che producono sciami
abbastanza diverse. In prossitesi alla preparazione degli esperimenti o dell’analisi dei dati. Noelettromagnetici attraverso le
mità del punto di collisione,
tevole anche la partecipazione delle industrie, operanti per esempio
sottili lastre di piombo presia ATLAS che CMS disponnel campo dei superconduttori (ASG - Ansaldo Superconduttori,
senti nel calorimetro. Questa
gono di un rivelatore più inZanon, Europa Metalli) o dell’elettronica (come la CAEN di Viatecnica è particolarmente
terno ID (Inner Detector) per
reggio), con un ritorno in termini di commesse estremamente vanadatta
in ambienti con elevati
la misura delle traiettorie delle
taggioso per il nostro paese. All’ASG è stato costruito un terzo dei
flussi
di
radiazione, e perparticelle cariche. Questo ricirca 1.200 dipoli superconduttori di LHC, così come il grande magnete solenoidale superconduttore dell’esperimento CMS e le bomette di misurare l’energia di
velatore, di forma cilindrica, è
bine del grande magnete toroidale dell’esperimento ATLAS. L’ave± e g di 100 GeV con risolucentrato sul punto nominale
ventura LHC, dunque, rappresenta anche per l’Italia un’occasione
zioni dell’ordine dell’1% o sudelle collisioni, con l’asse
eccezionale per la formazione di personale estremamente speciaperiori. CMS invece si avvale
orientato nella direzione di
lizzato in vari settori della fisica, dell’elettronica e dell’informatica,
di una tecnica basata su crivolo dei due fasci. Lungo sei
e per lo sviluppo delle industrie nazionali in settori di alta tecnostalli di tungstenato di
metri e con un diametro di
logia.
piombo (PbWO4), un nuovo
poco più di due nel caso di
La partecipazione italiana
SAPERE - OTTOBRE 2008 PAG. 67
tipo di scintillatore stuternate a rivelatori di podiato appositamente per
sizione.
questo esperimento) caPer entrambi gli esperipaci di fornire una risomenti, i rivelatori di
luzione intrinseca supemuoni utilizzati sono
riore (di circa un fattore
molto simili, tutti basati
2 migliore di quella di
su tecnologie di rivelaATLAS) e allo stesso temzione a gas. In particopo di sopportare gli elelare, si usano tubi a devati flussi di radiazione
riva in alluminio, lunghi
prodotti dalle collisioni.
uno o più metri, riempiti
Il calorimetro adronico
di una miscela di gas
svolge diverse funzioni:
(per la maggior parte
insieme al calorimetro
argon), di sezione delelettromagnetico contril’ordine di alcuni centibuisce all’identificazione
metri quadri, con un sotdi elettroni (positroni) e
tile filo conduttore sifotoni, permette la ricotuato lungo l’asse e
struzione dell’energia e
posto ad un potenziale
della direzione dei getti di
positivo. Una particella
particelle che si producarica, come il muone,
cono nell’interazione tra
attraversando un tubo,
due protoni, e permette
ionizza il gas presente al
di assorbire la quasi totasuo interno, e gli ioni
lità delle particelle proprodotti, amplificati nel
dotte nella collisione.
gas dal campo elettrico
Fanno eccezione i neupresente, generano un
trini (ed eventuali altre Fig. 4. Simulazione nel rivelatore ATLAS di un decadimento del bosone di Higgs segnale sul filo che viene
nuove particelle neutre in due coppie e+e– e m+m–. Sono visibili le tracce dei due muoni che attraversano lo rivelato dall’elettronica di
poco interagenti) che spettrometro esterno (tracce in rosso) e la coppia di elettroni che vengono assorbiti lettura posta all’estremità
sfuggono alla rivelazione dal calorimetro elettromagnetico (al centro verso l’alto in celeste). Le traiettorie dei tubi. Ciò permette di
e i muoni di energia su- delle altre particelle di maggior energia sono raffigurate in giallo.
determinare la posizione
periore ad alcuni GeV,
del passaggio della partiche sono invece osservati nei rivelatori più esterni. Sia ATLAS cella con una precisione dell’ordine di 100 mm o migliore. I diche CMS hanno adottato tecnologie tradizionali per la realizza- versi strati di tubi a deriva presenti nello spettrometro permettono
zione dei calorimetri adronici, basate su strati di ferro (ATLAS) o infine una ricostruzione accurata della traiettoria della particella,
ottone (CMS) alternati a lastre di scintillatore plastico.
dalla cui curvatura, come nel tracciatore centrale, è possibile miLa parte più esterna di ATLAS e CMS è costituita dai rivelatori per surare la quantità di moto, essendo noto il campo magnetico prel’identificazione e la misura della quantità di moto dei muoni, sente. Per un muone di 50 GeV, la quantità di moto viene misuche rappresentano le uniche particelle cariche in grado di attra- rata con una risoluzione di circa 1.5 GeV nello spettrometro di
versare il calorimetro adronico. In entrambi gli esperimenti, questi ATLAS mentre in quello di CMS la precisione è limitata dall’effetto
apparati condizionano le dimensioni geometriche dell’apparato dell’attraversamento del ferro. Combinando le misure in questi ristesso, e, nel caso di CMS, anche il peso complessivo. Il sistema velatori con quelle fornite dai tracciatori centrali (ID), la risoludi muoni di ATLAS è basato su un grande spettrometro in aria co- zione di CMS raggiunge 0.5 GeV mentre per ATLAS si ottiene 1
stituito da un magnete toroidale centrale e da due magneti to- GeV. Ci piace ricordare che nei due spettrometri di ATLAS e CMS
roidali più piccoli, posti all’interno del primo, in corrispondenza per il tracciamento, meno accurato ma estremamente rapido, esdelle due estremità. Ciascuno di questi tre magneti è a sua volta senziale per individuare gli eventi con muoni di alta energia,
costituito da otto bobine superconduttrici, in grado di sviluppare sono usati dei rivelatori molto veloci, detti RPC (Resistive Plate
un campo magnetico di intensità compresa tra 0.5 e 1 Tesla. Le Chamber: camere a piani resistivi) ideati e sviluppati nelle Unibobine del toroide centrale, di forma rettangolare, hanno le di- versità italiane e nelle Sezioni dell’Istituto Nazionale di Fisica Numensioni di 25 metri lungo la direzione dei fasci per 5 metri in cleare.
direzione traversa. All’interno del toroide centrale, e attorno ai In figura 4 è presentato un evento simulato di produzione del bodue toroidi in avanti, sono collocati i rivelatori di muoni. Nel caso sone di Higgs seguita dal suo decadimento in una coppia di Z0
di CMS si utilizza invece il giogo di ritorno del flusso di campo che decadono in due coppie m+ m– e e+e– come ci si aspetta di
del magnete solenoidale centrale. Questo sistema è costituto da osservare nell’apparato ATLAS.
una serie continua di lastre di ferro, magnetizzate con un campo Va infine ricordato il sistema di trigger, cioè di selezione degli
di intensità di circa 1.5 Tesla, poste attorno al calorimetro ed al- eventi interessanti, e di acquisizione dei dati (DAQ) che com-
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terza pagina/fisica delle particelle
pleta ciascun apparato spegrande quantità di particelle
rimentale. Infatti alla lumiche sono state rivelate dagli
nosità di progetto della macapparati sperimentali (vedi
figura 5). Sebbene i 27 chichina sono prodotte circa
109 collisioni protone-prolometri compiuti dai protone per secondo, la magtoni rappresentino soltanto
gior parte costituita da inteuna frazione insignificante
razioni inelastiche di intedel percorso che verrà coresse scarso o nullo per il
perto durante i prossimi
programma scientifico di
anni, questo primo giro di
LHC e, solo una frazione
fatto rappresenta un grande
piccolissima di eventi di
balzo in avanti per la rireale interesse fisico. È imcerca scientifica moderna
pensabile registrare i dati di
nel campo della fisica delle
tutte le collisioni prodotte in
alte energie. Questioni tutLHC, selezionando successi- Fig. 5. Segnali osservati nei rivelatori dell’esperimento ATLAS al passaggio tora aperte, legate all’oridelle particelle prodotte dall’assorbimento in un collimatore del primo fascio
vamente col computer gli circolato in LHC.
gine della massa, alla naeventi interessanti: occorretura della materia oscura,
rebbe immagazzinare qualcosa come 108 MB/s (che significhe- all’asimmetria tra materia ed antimateria, presto potranno essere
rebbe riempire di dati circa ventimila DVD al secondo!). Il si- approfondite e, forse, troveranno una risposta. Infine l’LHC postema Trigger/DAQ effettua una ricostruzione approssimata, ma trebbe aprire una finestra su un mondo del tutto sconosciuto: se
sufficientemente accurata, degli eventi che mano a mano si pro- l’entrata in funzione di questa macchina acceleratrice rappreducono, selezionando in tempo reale (on-line) solo quelli con le senta il punto di arrivo di un progetto durato quasi vent’anni,
caratteristiche principali compatibili con le collisioni che si in- essa allo stesso tempo sarà il punto di partenza per scrivere
tendono studiare. In questo modo solo i dati relativi a questi un capitolo nuovo della fisica moderna.
●
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 2×105, corrispondente a 200 eventi/s PER SAPERNE DI PIÙ:
(equivalenti a 300 MB/s) come compatibili con gli attuali sistemi On-line
di registrazione di dati.
CERN faq - LHC the guide, scaricabile da: cdsmedia.cern.
Nonostante la grande riduzione ottenuta con il sistema di ch/img/CERN-Brochure-2008-001-Eng.pdf
trigger, la quantità di dati che sarà necessario analizzare (circa CERN: www.cern.ch/public/.
104 PB/anno, 1PB = 1 PetaByte = 106 GB) costituisce una sfida LHC, fisica, acceleratore, esperimenti: public.web.cern.ch/puimportante anche per i più moderni sistemi di calcolo. Per blic/en/LHC/LHC-en.html.
far fronte a questa impresa, è stato finanziato il progetto GRID
(“griglia”), la cui funzione principale sarà quella di distribuire la Articoli
ricostruzione degli eventi registrati dagli apparati (o anche si- VELTMAN M., «Il bosone di Higgs», Le Scienze, 221, novembre
mulati) ad una rete di calcolatori dislocati in tutti i paesi che 1986.
partecipano al progetto LHC. Il progetto GRID riveste un ruolo LLEWELLYN SMITH C., «Il Large Hadron Collider», Le Scienze,
fondamentale per lo sviluppo del calcolo scientifico moderno, 385, settembre 2000.
ed LHC si presenta indubbiamente come uno dei settori della Dossier Il futuro della fisica, con articoli su LHC di L. MAIANI,
ricerca più esigenti.
PETRONZIO R., COLLINS G.P., QUIGG C. ed altri, in Le Scienze n.
476, aprile 2008.
GRINBAUM A., On the eve of the LHC: conceptual questions in
Conclusioni
high-energy physics, arXiv:0806.4268v1.
Il 10 settembre del 2008 un fascio di protoni, iniettato con una AUTORI VARI, «Insight: The Large Hadron Collider», Nature, 448,
energia di 450 GeV ha compiuto per la prima volta un giro com- 2007, pp.270-312.
pleto all’interno del Large Hadron Collider. Il fascio, una volta FIDECARO M. e GENTILE S., «Il tassello mancante – la particella
assorbito dagli schermi utilizzati in questo test, ha prodotto una di Higgs», Giornale di Fisica, Vol. 49, 2008, no. 2, pp. 111-126.
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
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