Fisica delle Particelle all'INFN di Bari
L’obiettivo delle ricerche coordinate dalla Commissione Scientifica Nazionale 1 su scala nazionale e dal Gruppo 1 localmente è lo studio delle interazioni dei costituenti fondamentali della materia attraverso esperimenti con gli acceleratori di particelle.
Lo scopo delle attuali ricerche è di ottenere un’approfondita conoscenza di alcuni aspetti, come il meccanismo di generazione della massa delle particelle, o quello responsabile dell’asimmetria tra materia e antimateria, e in generale l’individuazione di possibili scenari di Nuova Fisica che spieghino i problemi irrisolti del Modello Standard. In generale la fisica subnucleare richiede apparati di grande dimensione ed estrema complessità dove trovano applicazione le tecnologie più moderne nel campo dei rivelatori, dell’elettronica, dei sistemi di acquisizione dati, calcolo e analisi. Le collaborazioni sono composte da centinaia (o migliaia) di fisici provenienti da istituti e laboratori di tutto il mondo, un esempio molto importanti di cooperazione internazionale. I gruppi INFN partecipano con contributi di eccellenza e con incarichi di responsabilità nei più elevati livelli decisionali degli esperimenti.
CMS Compact Muon Solenoid
Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra è un acceleratore di particelle, con una circonferenza di 27 Km, progettato per far collidere fasci di protoni di alta intensità ad una energia massima di 14 TeV nel centro di massa.
CMS (Compact Muon Solenoid) è uno dei 4 esperimenti posti lungo il fascio di LHC ed ha come obiettivo principale lo studio del Modello Standard e, in particolare, del bosone di Higgs e la ricerca di fenomeni fisici nuovi, predetti da estensioni del MS, la ricerca di extra dimensions e indagini sulla natura della materia oscura.
L’apparato sperimentale di CMS ha una struttura a simmetria cilindrica che si sviluppa intorno alla linea di fascio, e i suoi rivelatori sono immersi in un forte campo magnetico di 4T (circa 100000 volte il campo magnetico terrestre) grazie al più grande solenoide superconduttore mai realizzato al mondo, capace di immagazzinare un’energia di 2,4 GJ. CMS è stato disegnato per ottenere massima efficienza e precisione nella rivelazione di fotoni, elettroni, muoni, leptoni tau, jet, jet originati da quark b ed energia mancante (indice della presenza di particelle neutre elusive). L’apparato è quanto più ermetico possibile. Se pure di grandi dimensioni rispetto ad esperimenti del passato (15 m di diametro per 22 m di lunghezza e un peso pari a 14500 t) CMS è un apparato elegantemente compatto.
L’esperimento CMS è una delle più grandi collaborazioni internazionali della storia, coinvolgendo circa 5000 fisici, ingegneri, tecnici, studenti e personale di supporto provenienti da più di 200 istituti in 50 diversi paesi del mondo.
L’INFN è fortemente coinvolto in CMS, circa 250 fisici e ingegneri provenienti da 14 Sezioni e 2 Laboratori Nazionali lavorano all’esperimento. In particolare, frazioni significative del sistema di rivelazione per muoni (sia DT che RPC), del calorimetro elettromagnetico e del Rivelatore di Tracce sono stati realizzati in Italia.
Responsabile locale: Donato Creanza
LHCb
Se materia e antimateria sono state generate in egual quantità durante il Big Bang, perché ci troviamo in un Universo costituito essenzialmente da materia?
L’esperimento LHCb (Large Hadron Collider beauty), uno dei quattro grandi esperimenti che operano presso il Large Hadron Collider al CERN di Ginevra, è stato progettato per studiare, con precisione mai raggiunta prima, i decadimenti rari di particelle e antiparticelle contenenti i quark “beauty” e “charm”, al fine di evidenziare differenze che possano spiegare perché la natura preferisca la materia all’antimateria e far luce così su uno dei misteri fondamentali del nostro Universo. L’antimateria è costituita da anti-particelle con proprietà speculari rispetto a quelle delle particelle che costituiscono il mondo che ci circonda. Se materia e antimateria si comportassero esattamente allo stesso modo, esse si sarebbero annichilate immediatamente dopo il Big Bang, convertendo la loro massa in radiazione elettromagnetica, e l’Universo sarebbe costituito solo da radiazione. La natura deve dunque nascondere fenomeni non simmetrici, non contemplati nel Modello Standard delle particelle elementari, e, forse, nuove particelle, non ancora osservate.
Un enorme apparato sperimentale costituito da diversi rivelatori, alto all’incirca quanto un edificio di tre piani, lungo 20 m e con una massa di circa 5600 tonnellate, permette di rivelare le tracce lasciate dalle tantissime particelle prodotte nelle collisioni protone – protone a LHC e di misurarne le caratteristiche. Combinando le informazioni registrate dai diversi rivelatori, si ottiene una fotografia degli eventi e, analizzandone milioni e milioni, si possono evidenziare segnali di nuova fisica, oltre il Modello Standard, e scoprire particelle del tutto inattese o a lungo cercate senza successo, come dimostrano le recenti evidenze sperimentali dell’esistenza di particelle esotiche (tetraquark e pentaquark).
LHCb è una collaborazione internazionale di 1400 fisici, ingegneri e tecnici provenienti da 86 istituzioni in 18 paesi. All’esperimento collaborano ricercatrici e ricercatori della Sezione di Bari dell’INFN e del Dipartimento Interateneo di Fisica dell’Università degli Studi di Bari con contributi importanti all’analisi dei dati, in particolare nell’ambito della spettroscopia adronica, alla simulazione e allo sviluppo di rivelatori per il futuro upgrade dell’esperimento (High-Luminosity LHC).
Il rivelatore LHCb, completamente rinnovato, riprenderà la presa dati nel 2022 dopo il Long Shutdown 2 dell’acceleratore LHC .
Responsabile locale: Marilisa De Serio
Muon Collider
Uno dei possibili obiettivi della Strategia Europea per la Fisica delle Particelle nei prossimi anni è la realizzazione di un collisore di muoni ad altissima energia (O(TeV)). Tale macchina permetterebbe di raggiungere una grande precisione nella misura delle proprietà del bosone di Higgs e di esplorare la presenza di nuove particelle che potrebbero essere indizio di nuova fisica.
Uno dei vantaggi offerti da un collisore di fasci di muoni, rispetto ai collisori elettrone-positrone, è la modesta perdita di energia a causa della radiazione di sincrotrone. Una delle maggiori sfide tecnologiche consiste nella creazione dei fasci di muoni, per la quale sono state attualmente prese in considerazione due opzioni: MAP (Muon Accelerator Program) e LEMMA (Low Emittance Muon Accelerator).
Nello schema di MAP, i muoni sono creati dal decadimento di pioni emergenti dallo scattering di protoni su un bersaglio fisso: la sfida qui è ridurre quanto più possibile l’emittanza del fascio con sistemi di raffreddamento all’avanguardia, attualmente in fase di studio. L’opzione LEMMA, proposta dall’INFN, permetterebbe di creare fasci di muoni a emittanza ridotta grazie allo scattering di un fascio di positroni su bersaglio. Questo processo è caratterizzato però da probabilità estremamente bassa ed è attualmente in fase di studio.
I muoni nei fasci, anche se accelerati ad altissima energia, hanno una vita media limitata; il loro decadimento induce una grande quantità di fondo (principalmente fotoni, elettroni e neutroni) nei rivelatori. Per mitigare questo effetto, sono stati proposti coni di schermatura in tungsteno attorno ai fasci. Nonostante ciò, si prevede che il flusso di particelle che raggiunge il rivelatore sia davvero significativo. Una possibile soluzione per distinguere le particelle create dallo scattering dei muoni da quelle di fondo è sfruttare l’informazione del tempo di volo delle particelle registrato da ogni sotto-rivelatore (specialmente nel sistema di tracciamento e nei calorimetri). Saranno dunque necessari rivelatori caratterizzati da altissima precisione spaziale e temporale, capaci di lavorare in presenza di alti flussi di particelle. Inoltre, gli algoritmi di tracciamento e ricostruzione dei jet davvero svolgeranno un ruolo cruciale. Dai primi studi, basati sulla simulazione di processi μ +μ − → Hνν sembra che l’approccio globale (detto particle-flow) per la ricostruzione dell’evento consenta di ottenere ottimi risultati e ridurre l’impatto del fondo.
La sezione dell’INFN Bari è coinvolta nella progettazione dell’esperimento, con una proposta per il design del calorimetro adronico basato su sampling di MPDG e ottimizzato per la ricostruzione particle-flow, nello studio del programma di fisica incentrato sul settore di Higgs, e ha manifestato interesse nello sviluppo di una facility per lo studio dei neutrini estratti dal decadimento dei muoni nei fasci.
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Responsabile locale: Rosamaria Venditti
Scattering and Neutrino Detector at the LHC (SND@LHC)
Lo Scattering and Neutrino Detector at the LHC (SND@LHC) è un nuovo esperimento che opererà all’acceleratore Large Hadron Collider del CERN a partire dal 2022.
SND@LHC è stato progettato per rivelare particelle nuove e non previste dal Modello Standard, che possono costituire candidati di materia oscura leggera, assieme a neutrini di altissima energia, prodotti per la prima volta ad un collisore di particelle (un acceleratore in cui due fasci di particelle si scontrano tra loro). L’apparato sperimentale è attualmente in fase di installazione al CERN.
Il progetto, che apre una nuova frontiera nella ricerca della materia oscura e nello studio dei neutrini, è molto ambizioso non solo sul fronte scientifico ma anche su quello tecnologico. In un volume molto compatto, di circa 2 metri cubi, verranno concentrate tutte le sofisticate apparecchiature che consentono di effettuare con elevata precisione le misure necessarie a identificare le particelle di interesse e studiarne approfonditamente le proprietà. L’apparato sperimentale consta di una regione bersaglio dove i neutrini (o nuove particelle) interagiscono nel materiale di tungsteno e di rivelatori traccianti, in grado di ricostruire il vertice di interazione con risoluzione micrometrica. La regione bersaglio è seguita da un calorimetro per misurare l’energia delle particelle in esame e da un sistema di identificazione dei muoni. L’apparato è stato progettato per misurare anche il tempo che intercorre tra la produzione e l’interazione dei neutrini, a circa 480 m di distanza, distinguendoli così da eventuali nuove particelle di massa più grande che viaggerebbero più lentamente.
L’esperimento SND@LHC coinvolge un gruppo di 180 scienziati di 23 Istituti in 13 Paesi, dall’Asia all’America. Al progetto collaborano ricercatrici e ricercatori della nostra Sezione INFN e del Dipartimento Interateneo di Fisica della Università degli Studi di Bari, fornendo un contributo determinante alla realizzazione dei rivelatori di particelle utilizzati e allo sviluppo dei sistemi di analisi dei dati che verranno acquisiti nei prossimi anni.
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Responsabile locale: Alessandra Pastore
FCC
Il progetto INFN FCC nasce nel 2017 per coordinare le varie attività finalizzate allo studio di possibili esperimenti ai futuri acceleratori o con nuove tecniche di accelerazione.
Le attività si sono concentrate nello studio di nuovi rivelatori concettuali per esperimenti ai futuri collisori elettrone-positrone.
IDEA è un esempio di questo tipo di rivelatori concettuali innovativi, progettato per analizzare le collisioni elettrone-positrone con un collisore leptonico FCC-ee con una circonferenza di 100 km, capace di operare ad energie nel centro di massa che vanno da 90 a 365 GeV.
Il collisore FCC-ee consente di misurare con estrema precisione gli accoppiamenti del bosone di Higgs, scoperto nel 2012 al LHC e tutte le sue proprietà (“Higgs factory”).
IDEA è un rivelatore ermetico, suddiviso geometricamente in una regione cilindrica centrale (barrel), chiuso alle estremità da due tappi (endcaps).
Il rivelatore è composto dai sotto-rivelatori seguenti, in ordine crescente di distanza dal vertice primario: un tracciatore centrale composto di un rivelatori al silicio, seguito da una grande camera a deriva multifili con un raggio esterno di 2 m, che fornisce oltre 100 misure lungo la traccia di ogni particelle carica ed è fondamentale per la capacità di identificazione delle particelle. Il tracciatore è circondato da un grande, ma sottile, magnete solenoidale che fornisce un campo magnetico di 2T ed è fondamentale per curvare le tracce delle particelle e poterne misurare l’impulso.
Più all’esterno è disposto un calorimetro che ha la particolarità di misurare insieme la componente elettromagnetica e adronica delle cascate originate nel materiale del calorimetro.
L’ultimo sottorivelatore è l’apparato di rivelazione dei muoni, composto da tre stazioni poste a distanza crescente dal vertice di interazione primario, collocate all’interno del ferro che compone il giogo di ritorno del campo magnetico.
Il gruppo di Bari è impegnato sullo sviluppo della camere a deriva multifili di IDEA, per la ricostruzione e l’identificazione delle particelle.
Responsabile locale: Nicola De Filippis
