INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Oltre 40 anni fa, la misura delle transizioni dei raggi X sul livello fondamentale nel deuterio kaonico – un atomo esotico in cui un elettrone viene sostituito da un kaone con carica negativa (una particella composta da un quark “strano” e da un anti-quark “up”) – è stata identificata come una misura cruciale nella fisica dei kaoni in regime delle basse energie. Questa misura è essenziale per gli studi teorici delle interazioni forti nei sistemi con stranezza, avendo un forte impatto nella fisica delle particelle e nucleare, così come nell’astrofisica. Nonostante la sua importanza, la misura è estremamente impegnativa a causa della rarità delle transizioni dei raggi X sul livello fondamentale nel deuterio kaonico, ed è sfuggita a tutti i tentativi precedenti.
Per la prima volta, la collaborazione internazionale SIDDHARTA-2 ha condotto con successo la misura del deuterio kaonico utilizzando l’eccellente fascio di kaoni a bassa energia fornito dal Collider DAΦNE presso l’INFN-LNF. La campagna di acquisizione dati è iniziata a maggio 2023, con due periodi di raccolta dati (Run 1 e Run 2) nel 2023, e si è protratta nel 2024 con Run 3, raggiungendo la luminosità integrata richiesta di 800 pb⁻¹. Durante questi periodi di acquisizione dati, misure di altri atomi kaonici, come l’elio kaonico e il neon per scopi di ottimizzazione dell’esperimento, hanno fornito già risultati di precisione senza precedenti, pubblicati in una serie di articoli. L’analisi preliminare dei dati del Run 1 del deuterio kaonico è estremamente promettente.
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‘esperimento SIDDHARTA-2, progettato per la spettroscopia di raggi X ad alta precisione nell’ambiente di alta radiazione di un collider di particelle, ha visto protagonista una collaborazione internazionale che ha sviluppato Rivelatori a Deriva di Silicio (SDDs) innovativi e rivelatori aggiuntivi, inclusi un trigger per i kaoni e tre sistemi di veto per ridurre il rumore di fondo.
La misura del deuterio kaonico è stata resa possibile grazie alle notevoli prestazioni del collider di leptoni DAΦNE. DAΦNE, un complesso acceleratore costruito negli anni ’90, ha riacquistato un ruolo centrale come strumento di ricerca grazie allo sviluppo e implementazione del nuovo schema di collisione Crab Waist, che ha portato un aumento della luminosità della macchina fino a un fattore di tre. DAΦNE continua ad essere una macchina unica al mondo per gli studi di fisica che richiedono kaoni a basse energie con impulsi inferiori a 140 MeV/c.
La presa dati di SIDDHARTA-2 è stata accuratamente preparata, rivedendo e ottimizzando l’ottica degli anelli del collider, e studiando soluzioni per aumentare il rapporto segnale-rumore sul rivelatore sperimentale. Gli aggiornamenti implementati nella fase preparatoria, insieme alla continua messa a punto della macchina durante le operazioni e agli studi dedicati sulla macchina, hanno permesso a DAΦNE di ottenere prestazioni notevoli, caratterizzate in modo riproducibile da una luminosità di picco dell’ordine di 2.4 1032 cm-2s-1 e una luminosità integrata giornaliera di circa 10 pb-1. Complessivamente, la luminosità integrata fornita all’esperimento durante la presa dati di SIDDHARTA-2 è stata di circa 1,4 fb-1.
Inoltre, gli eventi fisici acquisiti dal rivelatore SIDDHARTA-2 mostrano un rapporto segnale-rumore migliorato di tre volte rispetto a quello misurato nel precedente run di SIDDHARTA per l’idrogeno kaonico eseguito nel 2009; questo aspetto è stato fondamentale per individuare le transizioni elusive del deuterio kaonico.
Un’ottimizzazione iniziale dell’apparato è stata ottenuta mediante la misurazione delle transizioni dell’Elio-4 kaonico al livello 2p, transizioni che hanno un rendimento circa 100 volte superiore rispetto alle transizioni al livello 1s del deuterio kaonico. Ciò ha portato alla misura più precisa in un bersaglio gassoso, fornendo nuovi dati per i modelli teorici. Nel 2023, un’ottimizzazione finale dell’apparato è stata eseguita misurando le alte transizioni dei raggi X nel neon kaonico con una precisione senza precedenti inferiore a 1 eV. Ciò non solo ha contribuito a nuovi dati nel database degli atomi kaonici, ma ha anche dimostrato la fattibilità della misura della massa del kaone carico, un grande problema di lunga data nella fisica attuale, tenendo conto delle discrepanze tra le misure esistenti.
La misura dello spostamento e dell’allargamento indotti dall’interazione forte sul livello 1s del deuterio kaonico, combinata con i risultati precedenti sull’idrogeno kaonico ottenuti dalla collaborazione SIDDHARTA oltre un decennio fa, determinerà le lunghezze di scattering antikaone-nucleone dipendenti dall’isospin, avanzando la nostra comprensione dell’interazione forte nel regime non perturbativo.
Gli esperimenti presso il collider DAΦNE presentano un’opportunità unica al mondo per svelare i segreti del QCD nel settore della stranezza e migliorare la nostra comprensione del ruolo della stranezza nell’Universo, dai nuclei alle stelle. Basandosi sul successo di SIDDHARTA-2, la collaborazione EXKALIBUR è pronta a stabilire un nuovo standard nella ricerca sugli atomi kaonici con misure originali e rivoluzionarie presso DAFNE.