Università degli Studi Guglielmo Marconi

Dipartimento di Fisica Nucleare, Subnucleare e delle Radiazioni

Sezione Fisica delle Alte Energie

CMS

Esperimento CMS presso il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra

(Attualmente in presa dati)

Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra è un acceleratore di particelle, con una circonferenza di 27 Km, progettato per far collidere due fasci di protoni di alta intensità ad una energia massima di 14 TeV (TeraElettronVolt) nel centro di massa. L’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) è uno dei 4 esperimenti posti lungo il fascio di LHC ed ha come obiettivo principale la ricerca del bosone di Higgs e di fenomeni fisici non predetti dal Modello Standard, ma da sue possibili estensioni, come ad esempio la Supersimmetria. CMS è il più grande solenoide superconduttore al mondo ed è costituito da 100 milioni di singoli elementi attivi. Infatti, l'apparato sperimentale ha dimensioni notevoli: 21,6 metri di lunghezza per 14,6 metri di diametro per un peso totale di circa 12’500 tonnellate. È costituito da diversi rivelatori di particelle disposti secondo gusci concentrici intorno al punto di incrocio dei fasci di particelle. CMS è un rivelatore ermetico, il che vuol dire che i suoi sotto-rivelatori sono disposti in modo da coprire (quasi) tutto l'angolo solido intorno al punto di interazione.

Gli obbiettivi principali del programma di fisica includono lo studio della fisica delle particelle alla scala di energia dei TeV, la ricerca di un'evidenza dell'esistenza della Supersimmetria, la ricerca di nuove dimensioni spazio-temporali e la misura delle proprietà del bosone di Higgs, la cui prima rilevazione (insieme con l’esperimento ATLAS del Cern, installato anch’esso sul LHC) ha condotto al conferimento del premio Nobel a Peter Higgs e Fancois Englert nel 2013, fisici che insieme a Robert Brout e Thomas Kibble hanno contribuito negli anni ’60 alla teorizzazione dell’esistenza del nuovo bosone. La ricerca del bosone di Higgs ha impegnato i fisici per circa 50 anni e gli sforzi profusi per la sua rilevazione hanno avuto notevoli ricadute sia teoriche sia tecnologiche, dal momento che la sua scoperta ha richiesto anche una grande attività di innovazione tecnologica in moltissimi campi della conoscenza umana (rivelatori di particelle, acceleratori, computer science, magneti superconduttori, big data ecc.).

Il bosone di Higgs è un bosone elementare, massivo e scalare che svolge un ruolo fondamentale all'interno del Modello Standard delle particelle elementari e la sua importanza risiede nel fatto di essere la particella associata al campo di Higgs, che secondo la teoria permea l'universo conferendo massa a tutte le particelle elementari. Inoltre la sua esistenza garantisce la consistenza del Modello Standard, che senza di esso porterebbe a un calcolo di probabilità maggiore di uno per alcuni processi fisici.

L'esperimento CMS è una delle più grandi collaborazioni scientifiche internazionali della storia (insieme con ATLAS) e coinvolge quasi 5000 fisici delle particelle, ingegneri, tecnici, studenti e personale di supporto di 182 istituti di ricerca ed università in 42 paesi.

Le attività di ricerca dipartimentali includono la partecipazione alle analisi dati, in particolare per la fisica del Higgs e del Top quark, e alle attività di operation, manutenzione ed upgrade del sotto-rivelatore per muoni.
KLOE-2

Esperimento KLOE-2 ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

(Attualmente in fase di analisi dati)

Nel 1991 l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha approvato il progetto per l'avvio in Italia dell’indagine sperimentale sulla fisica delle particelle denominate Kaoni, allo scopo di produrre avanzamenti molteplici nella conoscenza delle interazioni fondamentali e nelle tecnologie di sperimentazione in questo settore.

Ciò ha portato allo sviluppo di un anello di accumulazione di elettroni e positroni (e-e+) in grado di produrre collisioni elettrone-positrone all'energia di 1.02 GeV, corrispondente alla massa del mesone Φ. Tale mesone è costituito da un'unica coppia di quark strange e i suoi prodotti di decadimento sono in larga parte mesoni K (detti appunto Kaoni). Lo studio dei decadimenti di queste particelle è interessante sotto vari aspetti, tanto che tali particelle sono oggetto di indagine sin dagli anni '40.

Il sistema di rivelatori di particelle costituisce nel suo insieme un apparato cilindrico le cui dimensioni sono dettate dalla necessità di ricostruire i decadimenti dei K-Long prodotti, il cui cammino medio prima di decadere è di circa 3,4 m. Il peso è in larga parte determinato dal sistema necessario per generare il campo magnetico richiesto per ricostruire con alta precisione le proprietà delle particelle cariche prodotte dalle interazioni primarie.

Grazie alle caratteristiche uniche delle particelle prodotte a DAFNE, alla sensibilità dell'apparato sperimentale e all'elevato numero di eventi raccolti, è stato possibile produrre una serie di risultati rilevanti, primo fra tutti il raggiungimento di precisioni della frazione del per cento nelle misure dei decadimenti dei kaoni e delle loro vite medie. Le sensibilità sperimentali raggiunte hanno permesso di controllare l'unitarietà della matrice di mescolamento dei quarks con una precisione dell'1 per mille. Campi diversi nei quali si è contribuito significativamente sono la misura di precisione della sezione d'urto adronica, rilevante per la predizione dell'anomalia del muone, lo studio delle particelle candidate non-qqbar, f0(980) e a0(980), e dei mesoni pseudoscalari, η e η'.

La ricerca si è articolata attraverso una serie di attività svolte in campi specialistici diversi tutte necessarie per ottenere una comprensione accurata e nuova dei fenomeni fondamentali. Il nuovo schema ottico del collisore DAFNE ha consentito di aumentare la luminosità della macchina di un fattore 5, permettendo di raccogliere un campione maggiore di dati in tempi più brevi.
MU2e

Esperimento MU2e al Fermi National Accelerator Laboratory di Chicago

(Attualmente in preparazione)

L’esperimento Mu2e (Muon-to-Electron-conversion experiment) si propone di cercare la conversione coerente, senza neutrini, di muoni in elettroni nel campo del nucleo. Questo tipo di decadimenti, mai osservati fino ad ora, aprirebbero la strada a scenari di “nuova fisica” ben oltre le nostre attuali conoscenze sulla fisica delle particelle elementari. Tale osservazione permetterebbe di capire perché particelle della stessa categoria, o famiglia, decadono da stati di massa pesanti a stati più leggeri e stabili. Ricerche dirette alla comprensione di questo aspetto fondamentale delle interazioni elementari sono in corso dagli anni '40 del secolo scorso. L’esperimento Mu2e ha il potenziale di fornire una risposta in tal senso.

L’attività di ricerca dipartimentale è incentrata sulla progettazione e costruzione del calorimetro elettromagnetico. Il calorimetro è composto da due dischi di cristalli Ioduro di Cesio puro (CsI), che emettono ad una frequenza di 315 nm, letti da fotomoltiplicatori al silicio della Hamamatsu (MPPC) UV estesi e di grande area. La costruzione dell'esperimento è iniziata e la prima messa in servizio del fascio dovrebbe avvenire nel 2020.

NA62

Esperimento NA62 al CERN di Ginevra

(Attualmente in presa dati)

L’esperimento si propone di misurare un decadimento molto raro del Kaone carico usando il fascio di protoni a 400 GeV del SPS. Le misure di decadimenti rari dei mesoni K permettono test ad alta precisione del Modello Standard delle particelle e possono evidenziare processi di nuova fisica.

L'acquisizione dei dati è iniziata nel 2015 e si prevede che l'esperimento diventi il primo al mondo a sondare i decadimenti del kaone carico con rapporti di decadimento molto piccoli e dell’ordine di 10-12. La collaborazione coinvolge 333 persone provenienti da 30 istituzioni e 13 paesi in tutto il mondo. L'obiettivo principale per il quale è stato ottimizzato il progetto, è la misurazione del rapporto di decadimento ultra-raro K+ → π+ + ν + νbar con una precisione del 10%, rilevando circa 100 candidati al decadimento con in due anni di raccolta dati. Questo porterà alla determinazione dell'elemento della matrice CKM | Vtd | con una precisione migliore del 10%. Questa variabile rappresenta una misura dell’accoppiamento fra quark top e down ed è quindi legata alla probabilità che i quark top decadano in down quark.

L’esperimento presenta alcune caratteristiche molto impegnative, dato l’alto fondo proveniente dai decadimenti del Kaone carico, quali il tracciamento di particelle a una frequenza totale di 1 ~ GHz, 40 MHz / cm2 con una risoluzione temporale di circa 150 ps; l'identificazione di Kaoni positivi in un ambiente ad alto fondo tramite un contatore Cherenkov differenziale insensibile a pioni e protoni; la costruzione di veti ermetici di fotoni per fornire una reiezione di pioni neutri dell’ordine di 108; il raggiungimento di una discriminazione pioni/muoni di due o più deviazioni standard fino a valori dell’impulso pari a 35 GeV/c utilizzando un rivelatore RICH; rigettare le particelle secondarie cariche provenienti dai decadimenti a 3 e 4 corpi del kaone carico.

Il detector di NA62 si basa sui seguenti fattori per raggiungere il livello richiesto di rigetto del fondo: alta risoluzione temporale; reiezione cinematica basata sul quadrato della massa mancante delle particelle osservate nel decadimento rispetto all’impulso del kaone incidente; identificazione di kaoni, pioni, muoni, elettroni e fotoni; veto ermetico di fotoni a grandi angoli e di muoni entro l'accettazione; ridondanza di informazioni.
PADME

Esperimento PADME presso presso i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF)

(Attualmente in preparazione) 

L’esperimento PADME ha come obbiettivo la ricerca di "Dark Photon" utilizzando le interazioni del fascio di positroni, prodotto al Linac di DAFNE, su un target di diamante dedicato. Molte estensioni del Modello Standard prevedono particelle vettoriali (bosoni U o fotoni pesanti, o appunto Dark Photons) con interazioni simili a quelle dei fotoni e che possono essere prodotte in associazione ai fotoni. Il problema emerge dalla necessità di conciliare l’evidenza cosmologica dell'esistenza della materia oscura con la mancanza di una sua chiara osservazione sperimentale.

La teoria prevede che le nuove particelle non sarebbero direttamente connesse ai campi di gauge del Modello Standard, ma solo attraverso campi mediatori o "portali", che collegherebbero il nostro mondo con nuovi settori "nascosti". Uno dei modelli più semplici prevede l’aggiunta di una sola una simmetria U(1) insieme con il corrispondente bosone vettore A’. Tutte le particelle del Modello Standard sarebbero neutre sotto questa simmetria, mentre il nuovo campo si accoppierebbe alle particelle cariche del Modello Standard con una carica efficace εe, da qui la denominazione di "fotone oscuro" per la nuova particella ipotizzata. L’osservazione di un bosone A’ nella gamma di massa tra 1 MeV/c2 e 1 GeV/c2 e con accoppiamento ε~10-3, giustificherebbe la discrepanza tra teoria e osservazione per il momento magnetico anomalo del muone, (g - 2) μ. Questa possibilità è stata recentemente smentita dall'ipotesi che A’ decada solo in particelle del Modello Standard, tuttavia se A’ decade in particelle del settore nascosto, quasi tutti i vincoli sperimentali disponibili possono essere elusi e il fotone oscuro è ancora una valida spiegazione per l’anomalia nella misura del momento magnetico del muone.

A causa della debole impronta sperimentale, la ricerca di un bosone A’ richiede un esperimento dedicato accuratamente progettato. Alla fine del 2015 l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha formalmente approvato un nuovo esperimento, denominato Positron Annihilation into Dark Matter Experiment (PADME), per la ricerca di decadimenti invisibili di A’ presso il Linac di DAFNE, ai laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN. L'esperimento è progettato per rilevare fotoni oscuri prodotti dall’annichilazione di positroni su bersaglio fisso (e+e- → γ A’) che decadono in materia oscura, misurando la massa mancante dello stato finale. La collaborazione si propone di raccogliere ~ 1013 positroni sul bersaglio, consentendo così di raggiungere la sensibilità ε~10-3 per un fotone oscuro fino a valori di massa di ~26MeV/c2.

A livello dipartimentale, sono in corso attività di gestione dei dettagli tecnici di vari aspetti relativi alla produzione e al servizio del rivelatore, comprese le fasi di test, pianificazione e costruzione del calorimetro centrale.