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 pre-accelerare 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 "general-purpose", 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