Sviluppi e frontiere nella fisica delle particelle:
il rivelatore ATLAS
Dal 14 al 16 gennaio oltre 130 fisici, ricercatrici e ricercatori italiani dell’esperimento ATLAS, si sono incontrati a Bologna per organizzare i programmi futuri. Un simposio scientifico utile non solo per fare il punto della situazione sulle attuali ricerche, ma per capire cosa accadrà nei prossimi anni, visto che dall’inizio del 2015, dopo uno stop di due anni per lavori di miglioramento dell’acceleratore LHC e dei rivelatori ATLAS e CMS, sarà possibile indagare le interazioni tra protoni a un’energia quasi doppia rispetto a quelle finora disponibili.
L’incontro è stato organizzato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sezione di Bologna in collaborazione con il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’ Università di Bologna. L’INFN è l’ente di ricerca che coordina per l’Italia la ricerca dei costituenti fondamentali della materia e delle loro interazioni.
Per comprendere meglio a che punto si è arrivati in questi campi della fisica Gaianews.it ha intervistato il Dott. Lorenzo Bellagamba, Responsabile del Gruppo di Ricerca ATLAS Bologna.
Schema del rivelatore ATLAS. (Credit: tritone.adm.unipi.it).
Domanda: Spieghiamo innanzitutto cosa sono ATLAS e CMS e quali tipi di esperimenti vi si conducono. Più in dettaglio, cosa significa far collidere fasci di protoni tra loro?
Lorenzo Bellagamba: Atlas e CMS sono due dei 4 esperimenti che operano al Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra. Sono enormi apparati delle dimensioni di edifici di diversi piani che circondano la zona dove i protoni vengono fatti collidere ed hanno il compito di rivelare i prodotti delle collisioni per ricostruire quello che è accaduto nella collisione. Questi apparati sono operati da collaborazioni internazionali di circa 3000 fisici ciascuna, che si occupano del funzionamento delle complesse apparecchiature che compongono i rivelatori e dell’analisi dei dati prodotti dalle collisioni e registrati dagli apparati.
All’interno dell’anello dell’acceleratore LHC i protoni circolano nelle due direzioni pressoché alla velocità della luce, in pacchetti ciascuno contenente circa 100 miliardi di protoni. All’interno degli apparati sperimentali i pacchetti vengono fatti incrociare e durante gli incroci un piccolo numero di protoni (poche decine al massimo) collidono tra di loro mentre il grosso del pacchetto esce dal rivelatore e continua a circolare pronto per collisioni successive. I protoni non sono particelle elementari ma sono costituiti da quark e gluoni. In definitiva quindi quello che osserviamo nei nostri rivelatori sono i prodotti delle collisioni tra questi costituenti del protone. Un’altra importante osservazione da fare è che le collisioni interessanti sono una frazione infinitesima di tutte le collisioni che vengono prodotte. Gli apparati sperimentali devono quindi essere in grado di riconoscere in tempi di pochi milionesimi di secondo (microsecondi) gli eventi potenzialmente interessanti che vanno registrati per essere studiati più in dettaglio e scartare tutto il resto.
ATLAS Experiment © 2013 CERN
D. Il clamore mediatico ci ha reso familiare il bosone di Higgs, una particella che vive una frazione impercettibile di secondo prima di disintegrarsi in altre particelle, al punto che gli esperimenti lo possono osservare solo “misurando” i prodotti del suo decadimento. ATLAS studia due canali di decadimento complementari: il decadimento in due fotoni o in quattro leptoni. Si intende seguire questa strada per approfondire la conoscenza dell’Higgs?
L. B. L’Higgs decade in molti canali differenti. Come giustamente detto, i canali che hanno dato il maggior contributo alla scoperta sono quelli in due fotoni o in quattro leptoni carichi (elettroni e muoni). Questi canali non sono quelli in cui l’Higgs decade prevalentemente, però sono particolarmente puliti perché caratterizzati da particelle facilmente riconoscibili e quindi poco contaminati da eventi di “fondo”, cioè eventi provenienti da processi differenti ma che possono simulare il decadimento dell’Higgs. Nel futuro la sfida sarà quella di misurare con sempre maggior precisione anche gli altri canali di decadimento dell’Higgs, in particolare quello in neutrini e leptoni carichi, quello in una coppia di quark bottom ed anche la produzione associata di Higgs ed una coppia di quark top. Queste misure ci daranno un quadro preciso del comportamento di questo bosone e potrebbero rivelare deviazioni da quanto ci aspettiamo nell’ambito del Modello Standard, aprendo la possibilità di nuove scoperte al di là dell’attuale quadro teorico, il Modello Standard appunto, che è una sorta di compendio delle nostre attuali conoscenze della fisica fondamentale. In questo senso possiamo dire che la scoperta del bosone di Higgs potrebbe essere una chiave per accedere a scoperte ancora più fondamentali. Questo è certamente il sogno e la speranza di tutti noi che ci dedichiamo alla ricerca fondamentale in questo campo, i prossimi anni saranno decisivi per dare risposte in questo senso.
D. Ottenere una “misura” più precisa delle particelle è un obiettivo importante. ATLAS potrà, ad esempio, misurare la massa del bosone W col doppio della precisione raggiunta fino ad ora?
L. B. Le masse delle particelle sono parametri liberi del Modello Standard. Questo significa che la teoria non può dirci quanto valgono ma devono essere determinate sperimentalmente e poi usate come input per la teoria al fine di ottenere predizioni dalla teoria stessa. Le masse delle particelle sono determinate dalla loro interazione con il campo di Higgs. In particolare le masse del bosone W e del quark top sono importanti perché consentono di vincolare la massa del bosone di Higgs all’interno del Modello Standard. La precisione della determinazione delle masse del W e del top è stata quindi di fondamentale importanza per ricavare in modo indiretto informazioni sul bosone di Higgs e per studiare eventuali deviazioni dalle predizioni del Modello Standard. Ora però che il bosone di Higgs è stato scoperto e la sua massa misurata con buona precisione, come già detto in precedenza, l’attenzione si sposta sulla determinazione diretta delle proprietà di questa particella, che potrebbero fornire indicazioni di effetti che vanno al di là del Modello Standard.
ATLAS Experiment © 2013 CERN
D. Sarà anche investigata l’asimmetria tra il comportamento della materia e dell’antimateria, conosciuta come violazione CP. Gli attuali esperimenti sulla violazione CP, BaBar e Belle, non hanno rilevato sufficienti violazioni nel Modello Standard per spiegare la predominanza di materia nell’Universo? È possibile che violazioni CP aggiuntive facciano luce sul problema?
L. B. Si è possibile e sperabile. Al momento nel Modello Standard abbiamo una sorgente di violazione di CP, che però non è sufficiente a spiegare l’asimmetria tra materia ed antimateria che osserviamo nel nostro universo. Questi studi sono però particolari e richiedono apparati dedicati di grande precisione come quelli di Babar e Belle già citati. All’inizio vi avevo detto che ATLAS e CMS sono 2 dei 4 apparati sperimentali che operano ad LHC. In effetti oltre a questi due grandi esperimenti di carattere generale, costruiti per misurare un largo spettro di processi fisici, esistono due altri esperimenti di carattere più specifico. In particolare LHCb è dedicato proprio agli studi di violazione di CP mentre ALICE è focalizzato allo studio delle interazioni tra ioni pesanti (LHC oltre a protoni può anche far collidere nuclei di piombo) per studiare un particolare stato della materia, il cosiddetto plasma di quark e gluoni, che si suppone essere stato presente nei primissimi istanti di vita dell’Universo dopo il Big Bang.
D. Studiare ulteriormente le proprietà dei mesoni B può aiutare a spiegare l’asimmetria materia-antimateria (c’è un protone ogni 100 milioni di fotoni)?
L. B. Certamente i mesoni B (particelle composte da una coppia quark anti-quark di cui uno dei due è di tipo bottom) sono sistemi privilegiati dove studiare la violazione di CP. Come già detto l’esperimento LHCb è dedicato a questo tipo di misure ed ha già prodotto una serie di risultati di precisione senza però trovare al momento chiare evidenze di deviazioni rispetto a quanto previsto dal Modello Standard. Anche in questo campo nei prossimi anni si aspettano notevoli progressi e significativi aumenti di precisione delle misure che consentiranno di testare in modo sempre più approfondito le predizioni del Modello Standard. La speranza è quella di poter osservare possibili deviazioni che indicherebbero effetti oltre il Modello Standard e che potrebbero darci concreti indizi per cominciare a fare luce su uno dei grandi misteri della fisica fondamentale, l’asimmetria tra materia ed antimateria.
D. Le proprietà del quark top, scoperto al Fermilab nel 1995, sono note in modo approssimativo. Grazie alla maggiore energia e al maggior numero di eventi, l’LHC produrrà un grande numero di quark top, permettendo ad ATLAS di compiere molte più misure sulla sua massa e sulle sue interazioni con le altre particelle. Si attende la riapertura di LHC nel 2015?
L. B. Ricordiamo che il quark top è la particella più pesante del Modello Standard con una massa che è circa 340000 volte quella dell’elettrone e di poco inferiore a quella di un nucleo di oro. In realtà le proprietà del quark top sono note con buona accuratezza. La sua massa, tanto per fare un esempio, è stata misurata dagli esperimenti che operavano al Fermilab con una precisione intorno allo 0.5% ed attualmente ad LHC si sono raggiunte precisioni simili che saranno ulteriormente migliorate nei prossimi anni. Più che le proprietà della particella in sé, sarà però importante misurare con sempre maggior precisione le caratteristiche di come il quark top verrà prodotto alle energie sempre più elevate che LHC sarà in grado di fornirci. LHC è a tutti gli effetti una fabbrica di quark top, soltanto nel 2012 ne ha prodotti circa 5 milioni per ciascun esperimento e molti di più ne saranno prodotti nei prossimi anni. Infatti ad inizio 2015, dopo due anni di stop per lavori di miglioramento, LHC ricomincerà a funzionare ad una energia quasi doppia rispetto a quella disponibile fino ad ora. Lo studio di precisione delle caratteristiche di produzione del quark top, ci permetterà anche in questo caso di testare con grande precisione le predizioni del Modello Standard e di mettere in evidenza possibili deviazioni che potrebbero segnalare effetti oltre il Modello Standard. I processi che coinvolgono il quark top sono infatti particolarmente sensibili a questi possibili effetti.
In definitiva possiamo quindi dire che la sfida dei prossimi anni sarà proprio quella di trovare delle crepe nel Modello Standard che possano indicarci la strada verso nuove fondamentali scoperte. Infatti nonostante tutte le innumerevoli osservazioni sperimentali prodotte fino ad ora dagli esperimenti agli acceleratori si inquadrino all’interno del Modello Standard, sono diversi i misteri che non siamo in grado di spiegare. Solo per citarne alcuni ricordiamo quanto già detto sull’asimmetria tra materia ed antimateria, inoltre non abbiamo un candidato per la materia oscura che, secondo le osservazioni astronomiche, pervade il nostro universo con un abbondanza 5 volte superiore a quella della materia descritta dal Modello Standard, per non parlare dell’energia oscura che, sempre secondo le osservazioni astronomiche, dovrebbe costituire i tre quarti dell’intero universo. La grande speranza è che nei prossimi anni, grazie all’LHC, si possa far luce su queste questioni fondamentali e si possano compiere passi decisivi verso una sempre migliore comprensione dell’universo in cui viviamo.
