Esperimento ATLAS

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LHC.svg
La catena degli acceleratori del CERN,
organizzati in stadi successivi di accelerazione
terminanti con l'iniezione in LHC.
Esperimenti a LHC
ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS
CMS Compact Muon Solenoid
LHCb LHC-beauty
ALICE A Large Ion Collider Experiment
TOTEM TOTal Elastic and diffractive
cross section Measurement
LHCf LHC-forward
Catena di preaccelerazione
p e Pb acceleratore lineare
per protoni e piombo
(non indicato) Proton Synchrotron Booster
PS Proton Synchrotron
SPS Super Proton Synchrotron

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) è uno dei sei rivelatori di particelle (ALICE, ATLAS, CMS, TOTEM, LHCf e LHCb) costruiti per LHC, l'acceleratore di particelle al CERN in Svizzera. ATLAS è lungo 46 metri con un diametro di 25 metri e pesa circa 7 000 tonnellate. Al progetto partecipano approssimativamente 2000 scienziati ed ingegneri, divisi tra 165 istituti e in 35 nazioni. [1] La fine della costruzione fu programmata per giugno 2007 e l'accensione ha avuto luogo il 10 settembre 2008. L'esperimento è progettato per osservare fenomeni che riguardano particelle pesanti che non sono mai state osservate usando gli attuali acceleratori a più bassa energia e per far luce su nuove teorie di fisica delle particelle oltre il Modello Standard.

L'ATLAS collaboration, il gruppo di fisici che ha costruito il rivelatore, è stato formato nel 1992, quando i due proposti gruppi di collaborazione EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton and Energy Measurements) e ASCOT (Apparatus with Super COnducting Toroids) fusero i loro sforzi nella costruzione di un unico rivelatore di particelle di utilizzo generale per il Large Hadron Collider.[2] Il progetto era una combinazione di quelli dei due gruppi precedenti, e della ricerca e sviluppo che era stata condotta per il rilevatore del Superconducting Supercollider. L'esperimento ATLAS venne proposto nella sua forma attuale nel 1994, e sovvenzionato ufficialmente dalle nazioni membre del CERN nel 1995. Altre nazioni, università e laboratori si aggiunsero negli anni seguenti, e ulteriori istituzioni e scienziati continuano ad aggiungersi ancora oggi. L'opera di costruzione iniziò nelle singole istituzioni, con componenti del rilevatore che vennero spediti al CERN e assemblati nel pozzo sperimentale di ATLAS a partire dal 2003.

ATLAS è concepito come un rivelatore di indirizzo generale. Quando i due fasci di protoni accelerati dal Large Hadron Collider interagiscono al centro del rivelatore, può essere prodotta una grande varietà di diverse particelle, in un grosso intervallo di energia. Più che focalizzarsi su un particolare processo fisico, ATLAS è concepito per misurare il più ampio intervallo possibile di segnali. Questo per assicurare che, qualunque caratteristica un nuovo processo fisico o una nuova particella possa avere, ATLAS sia in grado di rivelarli e misurare le loro proprietà. Alcuni esperimenti ad acceleratori degli anni passati, come il Tevatron e il Large Electron-Positron Collider (LEP), erano stati progettati sulla base di una simile filosofia. Ad ogni modo, la sfida rappresentata dal Large Hadron Collider (la sua energia senza precedenti e l'alto numero di eventi) ricade su ATLAS, rendendo necessarie le sue dimensioni e la sua complessità, maggiori rispetto a qualunque rivelatore mai costruito.

Background[modifica | modifica wikitesto]

Il rivelatore ATLAS in costruzione nell'ottobre del 2004, nel suo pozzo sperimentale; informazioni sull'attuale stato dei lavori in questa pagina. Si notino le persone sullo sfondo, per avere un'idea delle dimensioni dell'apparato.

Il primo ciclotrone, uno dei primi tipi di acceleratore di particelle, fu costruito da Ernest O. Lawrence nel 1931, con un raggio di soli pochi centimetri e un'energia per particella di 1 MeV. Da allora, gli acceleratori crebbero enormemente in dimensioni e energia, nel tentativo di produrre nuove particelle di masse sempre maggiori. Alla crescita degli acceleratori corrispose quella della lista delle particelle conosciute, che potevano essere usate o rivelate negli esperimenti. Il più esaustivo modello delle interazioni tra le particelle oggi a disposizione è noto come Modello Standard. Ma mentre il modello prevede che quark, elettroni, e neutrini debbano esistere, non spiega perché le masse delle particelle siano così diverse. A causa di questa violazione della "naturalezza" molti fisici delle particelle ritengono che sia possibile che il Modello Standard non sia più valido a energie superiori alla attuale "energia di frontiera" di circa 1 TeV (corrispondente all'energia del Tevatron). Se una tale "fisica oltre il Modello Standard" verrà osservata, la speranza è che un nuovo modello, identico al Modello Standard a energie quali quelle finora esplorate, possa esser sviluppato per descrivere la fisica delle particelle a energie ancora maggiori. La maggior parte delle teorie sinora proposte predice particelle massive, le più leggere delle quali si spera possano essere osservate dall'ATLAS. Con i suoi 27 km di circonferenza, il Large Hadron Collider (LHC) farà scontrare due fasci di protoni con abbastanza energia per produrre particelle di masse pressappoco 10 volte superiori rispetto a ogni particella attualmente nota - naturalmente assumendo che tali particelle esistano. Con una energia sette milioni di volte superiore a quella del primo acceleratore, l'LHC rappresenta una "nuova generazione" degli acceleratori di particelle.

Naturalmente le particelle prodotte negli acceleratori devono essere osservate: questo è il compito dei rilevatori di particelle.

Anche se possono succedere fenomeni interessanti nella collisione dei protoni, non è sufficiente produrli. È necessario costruire rilevatori per rilevare le particelle, le loro masse, quantità di moto, energie, cariche e spin nucleari. Per identificare tutte le particelle prodotte nel punto di interazione quando i raggi di particelle collidono, i rilevatori sono di solito progettati con una struttura "a cipolla". Gli strati sono formati da rilevatori di vari tipi, ognuno dei quali osserva uno specifico tipo di particelle. Le differenti reazioni che le particelle provocano in ogni strato permettono la loro identificazione e l'accurata misura delle energie e delle quantità di moto. Man mano che l'energia delle particelle prodotte dall'acceleratore cresce, il corrispondente rilevatore deve crescere in dimensioni per fermare effettivamente e misurare particelle più energetiche. Una volta completato, ATLAS sarà il più grande rilevatore di particelle mai costruito presso un collider.

Programma di ricerca[modifica | modifica wikitesto]

Uno schema, chiamato diagramma di Feynman, di due gluoni virtuali generati dalla collisione di due protoni, che producono un ipotetico bosone di Higgs, un quark top e un quark antitop. Questi a loro volta decadono in una combinazione di particelle e antiparticelle difficili da confondere con i prodotti di un altro processo. La raccolta di sufficienti segnali come questo può permettere la scoperta del bosone di Higgs.

ATLAS è progettato per esplorare diversi tipi di fenomeni fisici che potrebbero essere rilevati nelle collisioni ad alta energia dell'LHC. Alcune di questi sono conferme o migliori misure del modello standard, mentre altri sono ricerche per nuove teorie fisiche.

Uno degli obiettivi principali dell'ATLAS era quello di investigare sull'ultimo pezzo mancante al modello standard, il bosone di Higgs.

[3] Il meccanismo di Higgs, che include l'esistenza del bosone di Higgs, è invocato per dare massa alle particelle elementari, risaltando le differenze tra la forza nucleare debole e l'elettromagnetismo e dando massa ai bosoni W e Z, mentre il fotone rimane a massa nulla. Il modello standard semplicemente non è matematicamente consistente alle energie raggiunte dall'LHC senza un meccanismo del genere. Il bosone di Higgs è rilevato tramite l'individuazione delle particelle nelle quali decade; i decadimenti più facili da osservare sono quelli che coinvolgono due fotoni, due quark bottom oppure quattro leptoni. A volte questi decadimenti possono essere associati univocamente al bosone di Higgs solo se accompagnati da altre particelle: per un esempio vedi l'immagine a lato.

Sarà anche investigata l'asimmetria tra il comportamento della materia e dell'antimateria, conosciuta come violazione CP[3]. Gli attuali esperimenti sulla violazione CP, come il BaBar e il Belle, non hanno ancora rilevato sufficienti violazioni nel modello standard per spiegare l'assenza dell'antimateria nell'universo. È possibile che nuovi modelli fisici introdurranno delle violazioni CP aggiuntive, facendo luce sul problema; questi modelli possono essere verificati direttamente dalla produzione di nuove particelle oppure indirettamente dalle proprietà dei mesoni B.(L'esperimento LHCb, ad essi dedicati, è probabilmente più indicato per il compito).

Le proprietà del quark top, scoperto al Fermilab nel 1995, sono state finora scoperte solo approssimativamente. Grazie alla maggiore energia e al maggior numero di eventi, l'LHC produrrà un grande numero di quark top, permettendo ad ATLAS di compiere molte più misure sulla sua massa e sulle sue interazioni con le altre particelle. Queste misure forniranno informazioni indirette sui dettagli del Modello Standard, forse rivelando inconsistenze che porteranno a nuove teorie fisiche. Misure di analoga precisione verranno effettuate per altri tipi di particelle conosciute; per esempio, l'ATLAS potrà eventualmente misurare la massa del bosone W col doppio della precisione finora raggiunta.

Forse le linee di ricerca più eccitanti sono quelle mirate direttamente all'individuazione di nuovi modelli fisici. Una teoria, soggetto di molta della ricerca corrente, è la supersimmetria rotta. La teoria è popolare in quanto potrebbe potenzialmente risolvere una serie di problemi di fisica teorica ed è presente in quasi tutti modelli di teoria delle stringhe. I modelli supersimmetrici coinvolgono nuove particelle di grande massa; in molti casi queste decadono in quark ad alta energia e altre particelle massive debolmente interagenti con la materia ordinaria. Le particelle stabili fuggirebbero dal rilevatore, lasciando come tracce uno o più jet particellari e un gran valore di quantità di moto mancante. Anche altre ipotetiche particelle massive, come quelle descritte dalla teoria di Kaluza-Klein, potrebbero lasciare le stesse tracce, ma la loro scoperta indicherebbe senz'altro un modello fisico al di là del modello standard.

Una remota possibilità (se l'universo contenesse dimensioni extra) è che l'LHC possa produrre microscopici buchi neri. Questi decadrebbero immediatamente a causa della radiazione di Hawking, producendo tutte le particelle del modello standard in ugual numero e lasciando una traccia inequivocabile nel rilevatore ATLAS. Se ciò succedesse, gli studi principali sul bosone di Higgs e sui quark top sarebbero condotti su quelli prodotti dall'evaporazione di questi buchi neri.

Componenti[modifica | modifica wikitesto]

Il rilevatore ATLAS consiste di una serie di cilindri concentrici attorno al punto di interazione, cioè dove si scontrano i fasci di protoni dell'LHC. Può essere diviso in quattro parti principali: il rilevatore interno, i calorimetri, gli spettrometri muonici ed il sistema di magneti [4] . Ciascun componente è formato da vari strati. I rilevatori sono complementari: il rilevatore interno traccia precisamente le particelle, i calorimetri misurano l'energia delle particelle più facili da arrestare e lo spettrometro muonico genera ulteriori misure sui muoni più penetranti. Il sistema di magneti deflette le particelle cariche nel rilevatore interno e nello spettrometro muonico, permettendo così la misurazione delle loro quantità di moto.

Le sole particelle stabili a non poter essere rilevate direttamente dall'ATLAS sono i neutrini: la loro presenza è dedotta da apparenti violazioni della conservazione della quantità di moto durante una collisione. Per svolgere questo compito, il rilevatore deve essere "ermetico", deve cioè permettere la misura di tutte le altre particelle, senza punti ciechi. Mantenere l'efficienza dei rilevatori in un'area soggetta ad intense radiazioni come quella che circonda il punto di interazione è una sfida ingegneristica non indifferente.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ World's largest superconducting magnet switches on, CERN, 20 novembre 2006. URL consultato il 3 marzo 2007.
  2. ^ ATLAS Collaboration records in CERN Archive. URL consultato il 25 febbraio 2007.
  3. ^ a b Introduction and Overview in ATLAS Technical Proposal, 1994.
  4. ^ Overall detector concept in ATLAS Technical Proposal, 1994.

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