Fisica delle particelle

KLOE-2 è il principale esperimento di fisica delle particelle elementari presso i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) e rappresenta la prosecuzione dell’esperimento KLOE che ha preso dati negli anni fra il 2000 ed il 2006 al collisore elettrone-positrone DAΦNE, la “fabbrica” di mesoni ϕ dei LNF.

Esistono solide prove astrofisiche che suggeriscono che la maggior parte della materia che forma l’Universo non sia “materia ordinaria”, cioè non sia costituita da particelle descritte dal Modello Standard. L’ipotesi più accreditata tra i fisici postula che sia costituita da un nuovo tipo di materia, elettricamente neutra e stabile, che non interagisce (poco o nulla) con la materia ordinaria e dunque non produce radiazione elettromagnetica, risultando “oscura”.

Il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) sarà un osservatorio di neutrini di livello mondiale progettato per la misura di precisione dei parametri di oscillazione del neutrino, inclusa la fase CP, la determinazione dell'ordinamento di massa del neutrino, la ricerca del decadimento del protone, lo studio dei neutrini da supernova, e la ricerca di fisica Oltre il Modello Standard.

ATLAS è il più grande degli apparati previsti a LHC, con una lunghezza di 26 m ed un diametro massimo di 22 m. Queste dimensioni sono dettate dalle altissime prestazioni richieste all’apparato, che punta ad un esame dettagliato e completo dei processi coinvolgenti il bosone di Higgs ed allo studio sistematico delle proprietà dei quark pesanti b e t, che verranno prodotti con alta frequenza nelle collisioni protone-protone.

Gli esperimenti di prima generazione alle “fattorie” di mesoni B, Babar e Belle, iniziarono a prendere dati nel 1999 rispettivamente ai collisionatori e+e– asimmetrici PEP II a SLAC (Stanford, USA) e KEKB a KEK (Tsukuba, Japan). Entro due anni, entrambi gli esperimenti ottennero prove convincenti della violazione di CP nel decadimento dei mesoni B, una scoperta destinata a valere la condivisione del premio Nobel 2008 in Fisica ai teorici Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa.

L’esperimento BESIII, operativo dal 2008, misura le caratteristiche di eventi prodotti nell’annichilazione di elettroni e positroni in collisione nell’acceleratore BEPCII (acronimo di Beijing Electron Positron Collider), presso il laboratorio IHEP a Pechino.  Il collisore BEPCII produce collisioni con energia totale compresa tra 2 e 4.2 GeV, regione in cui si producono con elevata frequenza particelle dotate di quark c (charm).

CDF ha conquistato molti risultati importanti. Al ’94 appartiene il più famoso: il 26 Aprile la collaborazione CDF, ha annunciato la prima evidenza del quark top. Al 2006 appartiene un’altra importante scoperta: l’oscillazione del mesone Bs. Nel 2008 la grande notizia: il prestigioso premio “Panofsky 2009”, dell’American Physical Society, va ai due italiani Aldo Menzione e Luciano Ristori, leader dei progetti determinanti per le scoperte sopra citate: il rivelatore di vertice di silicio, SVX, ed il Super-processore SVT.

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 ad energie così elevate come quelle ad 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 e capace di scattare 40 Milioni di “fotografie” al secondo (tante quante sono le collisioni dei protoni in LHC).

Per cercare nuova fisica, si possono percorrere due strade: una punta ad aumentare l’energia disponibile per produrre e osservare nuove particelle (un famoso esempio di questa fisica “di scoperta” è la ricerca del bosone di Higgs a LHC); l’altra punta a misurare processi finora mai osservati poiché estremamente rari e confrontarli con le previsioni teoriche, NA62 ha appunto lo scopo primario di cercare nuova fisica misurando un decadimento raro del mesone K.

Oggi l’attenzione del mondo della fisica delle particelle è sempre più focalizzata alla ricerca della cosiddetta Nuova Fisica oltre il Modello Standard (MS), per cercare di comprendere e rispondere ad alcune domande fondamentali che questo modello non spiega. Secondo il MS, i muoni decadono in elettroni con un processo a 3 corpi: μ– → e– , anti-νe,νμ, in cui il numero e sapore leptonico tra stato iniziale e finale sono conservati.

L’esperimento g-2, in fase di costruzione presso il Laboratorio Fermilab (Chicago-IL, USA), si propone di misurare l’anomalia magnetica del muone con una precisione di 1.6×10–10 (0,14 parti per milione), tale da permettere un test estremamente stringente del Modello Standard.  Esso richiederà un campione di dati 20 volte più esteso rispetto all’esperimento precedente al Brookhaven National Laboratory e  una riduzione  di un fattore 3 dell’incertezza sugli effetti sistematici.

Situato in un’ampia caverna sotterranea, 100 metri sotto la campagna francese, LHCb è il più piccolo dei quattro grandi esperimenti in funzione al Large Hadron Collider (LHC) presso i laboratori del CERN vicino a Ginevra, in Svizzera. Caratterizzato da un design ottimizzato per gli studi sull'antimateria utilizzando quark beauty (b) e charm (c), LHCb è un progetto dedicato alle misurazioni nel campo del flavour.

La fisica delle particelle si trova oggi in una situazione molto particolare: tutte le particelle del Modello Standard sono state scoperte, nessuna particella prevista dalla Supersimmetria è stata trovata, e il valore delle masse dell’Higgs e del quark top sono tali che il Modello Standard potrebbe essere una teoria valida fino alla massa di Planck.

Nella fisica delle particelle e delle alte energie il successo della ricerca sperimentale dipende moltissimo dalla qualità del fascio di particelle cariche, sia durante l’accelerazione che l’immissione negli anelli di accumulazione. Solitamente per controllare i fasci di particelle cariche vengono applicati dei campi elettromagnetici di varia origine e configurazione. Una tecnica comune si basa sull’impiego del campo elettromagnetico di dipoli, quadrupoli, wiggler ecc. di grandi dimensioni (numerosi metri nel caso di LHC), e anche di enormi collimatori.