L’interazione forte in sistemi con stranezza

Il 19 luglio si è concluso con successo il primo periodo di presa dati da parte dell’esperimento SIDDHARTA-2 installato sul collisore DAFNE.

SIDDHARTA-2, un esperimento realizzato e portato avanti da una collaborazione internazionale tra 12 istituti da 7 paesi, si ripropone di studiare l’interazione nucleare forte attraverso misure di transizioni atomiche in atomi esotici, in particolare in atomi kaonici, dove un elettrone in orbita intorno al nucleo di un atomo viene sostituito da un kaone con carica negativa. Il kaone, a differenza dell’elettrone, è una particella composta da un quark (il quark strano) e un antiquark (di tipo up) ed interagisce con il nucleo tramite l’interazione elettromagnetica e l’interazione forte. La misura dei raggi X di transizioni in atomi kaonici permette, dunque, di misurare la componente dovuta all’interazione forte in sistemi con stranezza, essendo l’unico metodo per la misura dell’interazione tra kaoni e nucleoni in soglia. Circa 10 anni fa l’esperimento SIDDHARTA ha effettuato la più precisa misura al mondo delle transizioni atomiche nell’idrogeno kaonico, nonché la prima misura dell’elio 3 kaonico e dell’elio 4 kaonico con bersaglio gassoso. La misura del deuterio kaonico era, ai tempi, troppo difficile (il numero degli eventi a parità di fascio di kaoni è circa 10 volte più basso rispetto alla già difficile misure dell’idrogeno kaonico).

SIDDHARTA-2, attraverso l’utilizzo di nuove tecnologie, in particolare nuovi rivelatori spettroscopici a silicio (Silicon Drift Detectors) e un complesso sistema di veto, ha l’obiettivo di effettuare la prima misura del deuterio kaonico, un atomo esotico composto da un nucleo contenente il deutone (protone e neutrone) con un kaone di carica negativa in orbita atomica. Questa misura, assieme a quella dell’idrogeno kaonico, permetterà di determinare delle quantità che si chiamano lunghezze di diffusione kaone-nucleone che sono fondamentali per comprendere meglio la teoria dell’interazione forte, la cromodinamica quantistica, in sistemi con stranezza, con implicazioni che vanno dalla fisica delle particelle elementari e quella nucleare fino all’astrofisica.

Il primo run di SIDDHARTA-2 è stato effettuato con SIDDHARTINO, una versione ridotta di SIDDHARTA-2, con l’obiettivo di misurare primi atomi kaonici durante la fase di messa a punto dell’acceleratore DAFNE.

DAFNE è un articolato complesso di acceleratori che, mettendo in collisione fasci di elettroni e positroni (l’antimateria dell’elettrone) ad alta intensità e molto focalizzati, è in grado di produrre un consistente flusso di kaoni. Il tasso di produzione dei kaoni è tanto più alto quanto più alta è la luminosità della macchina, ossia il numero di interazioni realizzate per unità di superficie e per unità di tempo. I kaoni prodotti da DAFNE sono caratterizzati da bassa energia e sono quindi ideali, e praticamente unici al mondo, per lo studio dell’interazione forte in soglia, come, appunto, la fisica degli atomi kaonici.

È importante ricordare che l’originalità di DAFNE, la sua rilevanza scientifica, sono rappresentati dal nuovo schema di collisone, il Crab-Waist pensato e realizzato per la prima volta a Frascati, e ormai diventato concetto fondamentale, non solo per il progetto di macchine future, ma anche per spingere le prestazioni dei collisori leptonici esistenti oltre lo stato dell’arte.

L’efficacia del nuovo approccio alle collisioni è continuamente riaffermata dall’attività di DAFNE che, con SIDDHARTA-2, sta realizzando il terzo periodo di collisioni dedicato alla presa dati da parte di apparati sperimentali con caratteristiche profondamente diverse.

Dopo un periodo di lockdown che ha interrotto l’attività della macchina per circa 10 mesi, DAFNE è ripartita nel Febbraio del 2021 con l’obiettivo di fornire fasci di kaoni a SIDDHARTINO minimizzando il fondo di raggi X indotto dalle collisioni sul rivelatore.

Durante questi mesi i parametri dei fasci di elettroni e positroni sono stati opportunamente messi a punto e a partire dal Maggio 2021 SIDDHARTINO ha iniziato la presa dati potendo contare su una luminosità massima dell’ordine di 8×10³¹ cm^-2s^-1, un valore volutamente moderato in modo da favorire anche la progressiva comprensione messa in funzione del nuovo apparato. Questa fase è stata fondamentale anche per comprendere quali fossero i parametri più efficaci per la riduzione del fondo che alla fine del periodo di lavoro è stato più che dimezzato.

In questo contesto SIDDHARTINO ha misurato raggi X corrispondenti a transizioni sul livello 2p nell’elio4 kaonico con varie configurazioni dell’apparato e a due densità diverse dell’elio. I dati, attualmente in fase di analisi, oltre ad aver contribuito all’ottimizzazione della configurazione dell’apparato sperimentale, sono molto promettenti in quanto fisica di atomi esotici e contribuiranno  ad una miglior comprensione della cascata atomica in atomi kaonici, nonché allo studio dell’elio kaonico, per il quale si stima una precisione della misura dell’energia dei raggi X comparabile alle misure più precise.

Durante l’estate la collaborazione SIDDHARTA-2 installerà su DAFNE l’apparato completo per la misura del deuterio kaonico che partirà nell’autunno di quest’anno.

Questo risultato è stato reso possibile dall’entusiasmo e la collaborazione perfetta tra il gruppo macchina, in particolare tecnici, tecnologi e ricercatori che lavorano a DAFNE, e il gruppo SIDDHARTA-2, nonché dall’ottima interazione con il direttore dei LNF e i responsabili delle divisioni ricerca, tecnica e acceleratori.