Che cos’è la luminosità?

Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Ariel Davis

Traduzione dell’articolo di Sarah Charley apparso su Symmetry Magazine il 02/02/2021:
https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-luminosity

Durante questo decennio, il Large Hadron Collider sarà potenziato in High-Luminosity LHC. Cosa significa “luminosità” in fisica delle particelle?

Anche nei giorni più caldi e secchi, i raggi del Sole sono troppo deboli per innescare un incendio. Ma utilizzando una lente di ingrandimento (o, in qualche spiacevole incidente, un ornamento da giardino in vetro) si può focalizzare la luce solare in un fascio abbastanza luminoso da dar fuoco alla stoppa.

Al Large Hadron Collider, gli scienziati applicano lo stesso principio quando focalizzano i fasci di protoni (o qualche volta di ioni pesanti) prima di farli passare attraverso i quattro punti di interazione. Le collisioni di particelle ad alta energia consentono agli scienziati di investigare le leggi fondamentali della fisica e cercare nuove particelle, campi e forze.

Collimando i fasci di protoni appena prima della collisione, gli scienziati possono aumentare rapidamente il numero di eventi da studiare.

Scienziati, ingegneri e tecnici al CERN e nel mondo – inclusi il Fermi National Accelerator Laboratory, Brookhaven National Laboratory e Lawrence Berkeley National Laboratory, che insieme fanno parte del programma di potenziamento High-Luminosity Laboratory del Department of Energy Office of Science degli Stati Uniti – stanno costruendo nuovi magneti focalizzanti che comprimeranno i protoni in volumi ancora più piccoli. Sono in fase di progettazione anche dei nuovi magneti kicker, che modificheranno le traiettorie delle particelle incidenti per favorire la collisione frontale dei due fasci.

A partire dal 2027, gli scienziati metteranno in funzione un super potente High Luminosity LHC. Il potenziamento aumenterà il numero totale di potenziali collisioni da analizzare di almeno un fattore 10.

Perché si parla di luminosità e non di collisioni?

Come avrete notato, quando i fisici parlano di collisioni tra particelle, parlano di una misura chiamata luminosità.  Quest’ultima non dice esattamente quanti scontri tra particelle stanno avvenendo all’interno del collisore ma piuttosto fornisce una misura di quanto strettamente impacchettate siano le particelle all’interno dei fasci che si incontrano. Più il fascio è collimato, più è probabile che qualcuna delle particelle collida.

Nell’High Luminosity-LHC, si prevede che 220 miliardi di protoni passino attraverso altri 220 miliardi di protoni ogni 25 nanosecondi in corrispondenza dei quattro punti sperimentali di intersezione. La maggior parte dei protoni non interagirà realmente l’uno con l’altro. Anche con la miglior tecnologia di focalizzazione del fascio oggi disponibile, la probabilità che un protone collida con un altro protone all’interno dell’anello LHC è ancora significativamente inferiore rispetto alla probabilità di vincere il jackpot della lotteria Mega Millions.

I protoni non sono solide sfere che rimbalzano, si rompono o frantumano quando vengono a contatto le une con le altre. Sono piuttosto pacchetti disordinati di campi e di particelle ancora più piccole chiamate quark.

Due protoni possono passare esattamente l’uno attraverso l’altro e potrebbero rifare la scena del film Ghost in cui l’attore Patrick Swayze, nella parte del fantasma, introduce la sua testa eterea nel treno in movimento – senza effetti. Si possono indurre i protoni in una collisione frontale ma non si possono far interagire.

Se due protoni interagiscono, conta come una collisione? Se due protoni sfrecciano uno contro l’altro e l’onda d’urto generata dall’intersezione dei loro campi elettromagnetici emette qualche fotone, conta? E se uno di questi fotoni vaganti trafiggesse il cuore di un altro protone? E se due protoni si sfiorassero ed emettessero un pacchetto di particelle, ma restassero intatti?

Le collisioni sono complicate. I fisici parlano quindi di luminosità.

Il tasso di collisioni

Il tasso a cui le particelle vengono fatte incontrare per indurre una collisione  è chiamato “luminosità istantanea”.

“La luminosità istantanea” dipende dal numero di particelle contenute in ogni fascio incidente e dall’area dei fasci” afferma Paul Lujan, postdoc dell’Università di Canterbury che lavora sulle misure di luminosità nell’esperimento CMS. “Una dimensione del fascio più piccola significa più potenziali collisioni al secondo”.

Nel 2017, i fisici che lavorano all’LHC hanno raggiunto un nuovo record nella misura di una luminosità istantanea di 2.06 x 10³⁴ al centimetro quadrato al secondo. (Si moltiplica insieme il numero di protoni in ogni fascio, poi si divide per l’area del fascio – espressa in centimetri quadrati – e per il tempo.)

“Le unità di misura della luminosità non sono molto intuitive”, continua Lujan, “ma ci forniscono esattamente le informazioni di cui abbiamo bisogno”.

Quando gli scienziati caricano l’acceleratore LHC con un nuovo gruppo di particelle per farle collidere, possono mantenerle in corsa finché i fasci sono in condizioni sufficientemente buone con un numero sufficiente di particelle rimaste per avere una buona luminosità istantanea.

Considerando che in media un “pieno” di LHC dura tra le 10 e le 20 ore, il numero di potenziali collisioni possono salire molto rapidamente, Quindi gli scienziati non solo considerano la luminosità istantanea ma anche la luminosità integrata, quante potenziali collisioni vengono accumulate durante le ore di funzionamento.

Un bersaglio grande come un fienile

La differenza tra la luminosità istantanea e quella integrata è la differenza tra: “Adesso sto viaggiando a 100 chilometri all’ora” e “tra dieci ore, avrò viaggiato 1000 chilometri”.

Per la luminosità integrata i fisici passano dai centimetri quadrati a una nuova unità di misura dell’area: il barn (fienile). Dal punto di vista di una particella subatomica, “il barn” è così grande che è un bersaglio difficile da mancare.

Il barn è stato inventato durante gli anni ’40. La sua attuale grandezza – 10^-24 centimetri quadrati – fu classificato fino alla fine della fine della Seconda Guerra mondiale. Questo perché è equivalente alle dimensioni di un nucleo di Uranio, un ingrediente chiave nell’allora appena sviluppata bomba atomica.

Il barn è rimasto anche dopo la guerra ed è diventato un modo standard di misurare l’area in fisica nucleare e delle particelle.

Esprimersi in barn – e anche in termini di unità più piccole pari a 10^-15 barn chiamate femtobarn – consente ai fisici di considerare un numero molto grande e convertirlo da una scritta talmente lunga che non basterebbe la porta di un vero fienile a una scritta che può stare in una cartolina.

I fisici usano inoltre il femtobarn per misurare la probabilità di un processo subatomico, chiamata sezione d’urto.

“Immagina di essere in una caffetteria dove i clienti stanno facendo una battaglia di cibo”, spiega Lujan. “Possiamo predire il numero di persone che verranno colpite da una polpetta vagante dal numero di persone presenti, dall’area e le dimensioni della caffetteria, dalla durata della battaglia di cibo [che può anche essere usata per calcolare la luminosità integrata di tutte le possibili interazioni, incluse le interazioni tra le polpette] e anche la probabilità che avvenga quel particolare processo [la sezione d’urto dell’interazione tra polpette]”.

Per testare le leggi della fisica, i fisici confrontano le loro predizioni sulla probabilità che certi processi avvengano con quello che realmente vedono in pratica.

Con il potenziamento HL-LHC, gli scienziati stanno aumentando il numero di protoni, diminuendo il diametro dei punti di collisione e allineamento meglio le traiettorie dei protoni. Tutti questi cambiamenti aiutano a incrementare la probabilità che i protoni interagiscano tra loro quando passano attraverso le zone di intersezione di LHC. Il maggior numero di opportunità di collisione aiuterà i fisici a scoprire e studiare processi rari e particelle che sono la chiave per comprendere le leggi fondamentali della fisica.

Traduzione a cura di Susanna Bertelli.
Revisione a cura di Pasquale Di Nezza.