INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra è l’acceleratore di particelle più grande del mondo. Ha una circonferenza di 27 km ed è situato in un tunnel sotterraneo al confine tra Francia e Svizzera ad una profondità di circa 100 metri. Questo acceleratore è in grado di generare collisioni tra protoni a un energia di circa 14 TeV facendoli scontrare in quattro punti attorno ai quali sono state attrezzate delle aree sperimentali finalizzate a rivelare i prodotti della collisione dei protoni.
L’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) è uno dei quattro esperimenti costruiti attorno ai punti di collisione di LHC. Il programma di ricerca dell’esperimento CMS è ad “ampio spettro”, ossia progettato per studiare tutti i possibili fenomeni che possono svilupparsi quando avviene una collisione tra protoni a energie così elevate come quelle prodotte a LHC.
CMS è costituito da una serie di dispositivi chiamati “rivelatori” disposti a cipolla attorno al punto di collisione e che funzionano come un’enorme e complessa “macchina fotografica” 3D con 140 milioni di canali, capace di scattare 40 milioni di “fotografie” al secondo (tante quante le collisioni dei protoni in LHC).
Il programma di ricerca dell’esperimento CMS comprende tra l’altro lo studio delle caratteristiche del Bosone di Higgs, la ricerca di particelle che possano spiegare la materia oscura nell’Universo e ogni possibile segno di anomalie rispetto al quadro teorico attualmente accreditato e che va sotto il nome di “Modello Standard”.
Per affrontare quest’ambizioso programma di ricerca, l’apparato sperimentale è costituito da una serie di dispositivi che circondano il punto di interazione dei protoni, immersi in un campo magnetico di circa 4 Tesla (per riferimento basti pensare che il campo magnetico terrestre è circa 80000 volte più piccolo).
Partendo dal punto più interno incontriamo:
- il tracciatore centrale: costituito da chip in silicio e in grado di ricostruire i punti di passaggio di una particella con la precisione di pochi centesimi di millimetro;
- i calorimetri adronico ed elettronico: in grado di misurare l’energia di tutte le particelle adroniche (ossia costituite da quark), degli elettroni e dei fotoni;
- il rivelatore per muoni: che con 200000 canali di lettura ricostruisce la traiettoria dei muoni.
Il gruppo CMS dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) collabora all’esperimento sin dal 2002 e ha contribuito alla costruzione dei rivelatori per muoni.
I muoni sono le particelle più “timide” (a eccezione degli elusivi neutrini) del panorama delle particelle. Tali particelle riescono ad attraversare tutti i rivelatori più interni e giungono fino allo strato più esterno dell’esperimento dove ne viene ricostruita la traiettoria. Essendo i dispositivi più esterni, i rivelatori per muoni devono coprire un’ampia regione spaziale (alcune miglia di metri quadri).
Il gruppo CMS dei LNF ha partecipato alla costruzione, ai test e allo sviluppo di sistemi di monitor di rivelatori RPC (Resistive Plate Chambers) e GEM (Gas Electron Multiplier) che, con caratteristiche differenti, ricostruiscono il passaggio della particella e individuano gli eventi degni d’interesse. Il gruppo è fortemente coinvolto nelle attività di upgrade del rivelatore che presentano notevoli sfide per il futuro. In particolare, il sistema di rivelazione dei muoni verrà integrato con nuove camere GEM in regioni dove l’intensità della radiazione prodotta dall’acceleratore sarà più alta e il gruppo di Frascati parteciperà alla costruzione e test di tali nuovi dispositivi.