INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Il collisore DAFNE e l’esperimento SIDDHARTA-2 si preparano per una meritata vacanza dopo aver completato la fase iniziale di presa dati dedicata a misure su atomi kaonici ed in particolare alla prima misura al mondo del deuterio kaonico.
Che cos’è il deuterio kaonico e come si produce
Il deuterio, un isotopo dell’idrogeno, è un atomo costituito da un nucleo contenente un protone ed un neutrone intorno al quale orbita un elettrone. L’ elettrone in questione all’interno dell’apparato SIDDHARTA-2, può essere sostituito da uno dei kaoni, con carica negativa, generati con alta efficienza dal collisore DAFNE dando origine al deuterio kaonico. I kaoni negativi sono particelle prodotte nelle annichilazioni tra fasci di elettroni e positroni, accumulati, ciascuno all’energia di 500 MeV, nei due anelli indipendenti di DAFNE, dove sono opportunamente manipolati mediante sofisticate tecniche che utilizzano campi elettromagnetici. È così che viene creato un atomo di materia esotica nei Laboratori Nazionali di Frascati.
Misura del deuterio kaonico
A differenza dell’elettrone che va a sostituire, il kaone non è una particella fondamentale, bensì è composto da un quark strano e un antiquark up. Inoltre, ha una massa circa 1000 volte più grande di quella dell’elettrone e si colloca, dopo la cattura che genera il deuterio kaonico, su un livello di energia eccitato. L’atomo esotico eccitato decade verso livelli di energia più bassa, emettendo radiazione sotto forma di raggi X, che vengono registrati dai rivelatori al silicio (Silicon Drift Detectors) di SIDDHARTA-2. In questa cascata, il kaone ha una certa probabilità (molto piccola) di transitare sul livello fondamentale dell’atomo kaonico, dove all’interazione elettromagnetica tra kaone e nucleo si sovrappone l’interazione nucleare forte, descritta dalla cromodinamica quantistica. L’interazione nucleare forte sposta il livello energetico relativamente al valore calcolato con la sola interazione elettromagnetica e determina una riduzione della sua vita media, producendo un’allargamento del livello energetico stesso.
La misura del deuterio kaonico è estremamente difficile, in quanto il segnale da rivelare è molto debole, essendo caratterizzato da picchi allargati di ampiezza molto contenuta. Le misure dei raggi X generati nelle transizioni al livello fondamentale forniscono informazioni sull’interazione forte tra il kaone ed il nucleo di deuterio e, insieme ai risultati della misura equivalente effettuata da SIDDHARTA sull’idrogeno kaonico, permetteranno di studiare aspetti fondamentali dell’interazione forte in sistemi con quark strani. Inoltre, si potranno ottenere informazioni rilevanti per la fisica delle particelle elementari, e per l’astrofisica (ad esempio relativamente alla struttura delle affascinanti stelle di neutroni).
DAFNE e Siddharta-2
DAFNE è una sorgente unica di kaoni a bassa energia ed alta intensità, quasi liberi da contaminazioni costituite da particelle di altro tipo. La capacità di produrre alte intensità di kaoni deriva dal fatto che DAFNE è stato il primo acceleratore a mettere a punto, ed utilizzare un metodo innovativo, chiamato schema di collisione Crab-Waist, per dominare le potenti forze non lineari che si scatenano quando due pacchetti di elettroni e positroni altamente focalizzati collidono.
Il presente run di DAFNE e SIDDHARTA-2 è iniziato nella primavera di quest’anno ed ha già consentito, durante la fase di ottimizzazione dell’apparato sperimentale, di eseguire la prima misura al mondo di una serie di transizioni tra livelli eccitati nel neon kaonico; l’analisi dati è attualmente in corso per pubblicazione.
La prima presa dati per la misura del deuterio kaonico (molto piu’ difficile di quella del neon kaonico in quanto le transizioni sul livello fondamentale sono centinaia di volte meno probabili) è iniziata a maggio e si è conclusa lo scorso 24 luglio 2023. DAFNE ha permesso all’esperimento di immagazzinare dati per una luminosità totale pari a 200 pb-1. 1 pb-1 rappresenta un’unita di misura utilizzata nei collisori di particelle per indicare il numero di eventi di fisica prodotti e, nel caso specifico, indica la produzione di circa 1 milione e mezzo di kaoni negativi.
SIDDHARTA-2 è un apparato molto complesso, che, oltre ai rivelatori per i raggi X, contiene tre sistemi di veto, che hanno l’obbiettivo di selezionare il segnale rispetto al rumore di fondo. In altre parole, i sistemi di veto consentono di eliminare quei raggi X che non sono generati da atomi kaonici, bensì da elettroni e positroni persi dai fasci circolanti in DAFNE che, interagendo con i materiali dell’acceleratore e dell’apparato sperimentale, producono a loro volta raggi X attraverso un meccanismo di cascata elettromagnetica. Non a caso uno degli aspetti cruciali della messa a punto di DAFNE consiste nel massimizzare il numero di eventi di fisica prodotti e minimizzare il numero di particelle perse che possono rappresentare sorgente di rumore per il rivelatore.
Una seconda fase di presa dati verrà effettuata nell’ autunno di quest’anno; nel frattempo inizierà l’analisi dati, alla caccia dei raggi X generati dal deuterio kaonico, un risultato atteso da un’intera comunità di ricercatori teorici dedita allo studio dell’interazione nucleare forte.
Il sodalizio tra il collisore DAFNE, una macchina unica al mondo per la qualità del fascio di kaoni generato, e la collaborazione SIDDHARTA è di lunga data e nuove eccitanti proposte di misure di atomi kaonici e interazioni tra kaoni e nuclei sono in preparazione.
https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.91.025006
https://link.springer.com/article/10.1140/epja/s10050-023-00976-y
https://www.ipac23.org/preproc/doi/jacow-ipac2023-mopl085/index.html