Esperimento ATLAS

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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 il Large Hadron Collider (LHC), un acceleratore di particelle al CERN in Svizzera. Il rivelatore ATLAS è lungo 46 metri, ha un diametro di 25 metri e pesa circa 7000 tonnellate[1]. Al progetto partecipano approssimativamente 3000 scienziati ed ingegneri, appartenenti a 182 istituti di 38 nazioni diverse[2]. La costruzione dell'acceleratore è terminata nell'ottobre del 2008 le prime collisioni fra particelle sono state registrate nel novembre del 2009[3][4]. L'esperimento è progettato per osservare fenomeni che riguardano particelle pesanti che non sono mai state osservate usando gli acceleratori precedenti, a più bassa energia, e per far luce su nuove teorie di fisica delle particelle oltre il Modello Standard.

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 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 rivelatori di particelle costruiti per acceleratori precedenti, come il Tevatron e il Large Electron-Positron Collider, erano stati progettati sulla base di una filosofia simile. Ad ogni modo, le sfide rappresentate dal Large Hadron Collider (la sua energia senza precedenti e l'alto numero di eventi) hanno reso necessaia la costruzione di un rivelatore come ATLAS, con dimensioni e complessità maggiori rispetto a qualunque rivelatore mai costruito prima.

La collaborazione ATLAS è stata guidata per i primi 15 anni da Peter Jenni e fra il 2009 e il 2013 da Fabiola Gianotti. Dal 2013 il portavoce di ATLAS è David Charlton.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Il rivelatore ATLAS in costruzione, nel 2004. Si vedono gli otto toroidi che generano il campo magnetico. La parte centrale, vuota nella foto, verrà poi occupata dal calorimetro, che misura l'energia delle particelle prodotte dalle collisioni fra protoni. Si noti la persona al centro dell'immagine per avere un'idea delle dimensioni dell'apparato.

La collaborazione ATLAS, il gruppo di fisici che ha costruito e ora gestisce il rivelatore, si è formata nel 1992, quando i due 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.[5] Il progetto era una combinazione di quelli dei due gruppi precedenti, e della ricerca e sviluppo che era stata condotta per il rilevatore del Supercollisore superconduttore, il cui progetto era stato abbandonato. L'esperimento ATLAS venne proposto nella sua forma attuale nel 1994, e sovvenzionato ufficialmente dagli stati membri 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 nella caverna sperimentale di ATLAS a partire dal 2003 [6] [7].

L'esperimento ATLAS ha registrato i primi dati dai fasci di protoni del Large Hadron Collider il 10 Settembre 2008 [8]. Da allora ha continuato a registrare eventi di collisioni protone-protone dell'LHC ad energie crescenti: 900 GeV [9], 7 TeV [10], 8 TeV [11] e 13 TeV [12]. Nel 2012, la collaborazione di scienziati che lavora sull'esperimento ATLAS, insieme agli scienziati dell'esperimento CMS, ha annunciato la scoperta di una nuova particella neutra con spin intero (bosone) [13]. A partire dalla sua scoperta, le analisi dei dati degli esperimenti CMS e ATLAS rivelano che questa nuova particella ha le caratteristiche del bosone di Higgs [14].

Background[modifica | modifica wikitesto]

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 ed 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. ATLAS è il più grande rilevatore di particelle mai costruito presso un collider.

Programma di ricerca[modifica | modifica wikitesto]

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.

Un segmento, rappresentante il bosone di Higgs, si biforca in due segmenti, rappresentanti i bosoni Z, che si biforcano a loro volta in due leptoni ciascuno.
Uno schema, chiamato diagramma di Feynman, che rappresenta uno modi di decadimento del bosone di Higgs. Il bosone di Higgs decade in un bosone Z e in un bosone Z virtuale, e ognuno di questi a sua volta decade in due leptoni.

Uno degli obiettivi principali di ATLAS era cercare l'ultimo pezzo mancante del modello standard, il bosone di Higgs[15].

Il meccanismo di Higgs, che include l'esistenza del bosone di Higgs, spiega la massa delle 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 bosone di Higgs non è rivelato direttamente ma tramite l'individuazione delle particelle nelle quali decade. I primi decadimenti osservati sono stati il decadimento in due fotoni () e il decadimento in quattro leptoni ( e )[16].

Con i dati raccolti da ATLAS viene investigata anche l'asimmetria tra il comportamento della materia e dell'antimateria, conosciuta come violazione CP[17]. Gli esperimenti che fino ad ora hanno studiato la violazione CP, come BaBar e Belle, non hanno ancora rilevato sufficienti violazioni nel modello standard per spiegare l'assenza dell'antimateria nell'universo[18]. 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. Un altro degli esperimenti di LHC, LHCb, è dedicato proprio a studiare la violazione di CP.

Le proprietà del quark top, scoperto al Fermilab nel 1995, sono state finora studiate solo approssimativamente. Grazie alla maggiore energia e al maggior numero di eventi, l'LHC produce 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 forniscono informazioni indirette sui dettagli del Modello Standard, e potrebbero rivelare inconsistenze che potrebbero portare a nuove teorie fisiche.

Misure di precisione analoghe vengono effettuate per altri tipi di particelle, per esempio i dati raccolti da ATLAS hanno permesso di misurare con precisione la massa del bosone W, uno dei due mediatori dell'interazione debole[19].

Forse le linee di ricerca più eccitanti sono quelle mirate direttamente all'individuazione di nuovi modelli fisici. Una di queste teorie è la supersimmetria, una teoria popolare in quanto potrebbe 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 ed in altre particelle massive debolmente interagenti con la materia ordinaria. Le particelle stabili fuggirebbero dal rilevatore, lasciando come tracce uno o più jet di particelle, e un valore alto 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 buchi neri microscopici. Questi decadrebbero immediatamente, in circa secondi, a causa della radiazione di Hawking, producendo tutte le particelle del modello standard in ugual numero e lasciando una traccia inequivocabile nel rilevatore ATLAS[20].

Componenti[modifica | modifica wikitesto]

Il rivelatore di particelle ATLAS

Il rilevatore ATLAS consiste di una serie di cilindri concentrici costruiti attorno al punto di interazione, il punto in cui collidono 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[21]. Ciascun componente è formato da vari strati. I rilevatori sono complementari: il rilevatore interno traccia precisamente le particelle cariche, i calorimetri misurano l'energia delle particelle più facili da fermare e lo spettrometro muonico permette di rivelare i muoni, che sono più penetranti ed attraversano gli altri rivelatori. Il sistema di magneti deflette le particelle cariche nel rilevatore interno e nello spettrometro muonico, permettendo così di misurare la loro quantità di moto.

Le sole particelle stabili a non poter essere rilevate direttamente da 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. ^ Multimedia Service, I giganti a caccia, su asimmetrie.it. URL consultato il 23 settembre 2017.
  2. ^ The Collaboration | ATLAS Experiment at CERN, in ATLAS Experiment at CERN, 26 marzo 2015. URL consultato il 23 settembre 2017.
  3. ^ About the ATLAS Experiment | ATLAS Experiment at CERN, in ATLAS Experiment at CERN, 26 marzo 2015. URL consultato il 24 febbraio 2018.
  4. ^ First collisions in ATLAS | ATLAS Experiment at CERN, in ATLAS Experiment at CERN, 23 novembre 2009. URL consultato il 24 febbraio 2018.
  5. ^ ATLAS Collaboration records, su CERN Archive. URL consultato il 25 febbraio 2007.
  6. ^ ATLAS | CERN, su home.cern. URL consultato il 16 agosto 2016.
  7. ^ collaborazione ATLAS, Montaggio di ATLAS in tre minuti (ATLAS Bulit in Three Minutes), 24 settembre 2009. URL consultato il 16 agosto 2016.
  8. ^ First beam and first events in ATLAS | ATLAS, su atlas.cern, 10 settembre 2008. URL consultato il 16 agosto 2016.
  9. ^ ATLAS Experiment Reports Its First Physics Results from the LHC | ATLAS, su atlas.cern, 17 marzo 2010. URL consultato il 16 agosto 2016.
  10. ^ LHC 2012 Run at 8 TeV Has Started | ATLAS, su atlas.cern, 5 aprile 2012. URL consultato il 16 agosto 2016.
  11. ^ LHC 2012 Run at 8 TeV Has Started | ATLAS, su atlas.cern, 5 aprile 2012. URL consultato il 16 agosto 2016.
  12. ^ ATLAS Completes First Year at 13 TeV | ATLAS, su atlas.cern, 16 dicembre 2015. URL consultato il 16 agosto 2016.
  13. ^ ATLAS and CMS publish observations of a new particle | CERN, su home.cern. URL consultato il 16 agosto 2016.
  14. ^ ATLAS further verifies Standard Model coupling/mass relationship of Higgs boson | ATLAS, su atlas.cern, 27 marzo 2015. URL consultato il 16 agosto 2016.
  15. ^ Introduction and Overview, in ATLAS Technical Proposal, 1994.
  16. ^ (EN) Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, in Physics Letters B, vol. 716, nº 1, 17 settembre 2012, pp. 1–29, DOI:10.1016/j.physletb.2012.08.020. URL consultato il 24 febbraio 2018.
  17. ^ (EN) Adam Barton e the Atlas Collaboration, CP violation at ATLAS, in Journal of Physics: Conference Series, vol. 447, nº 1, 2013, pp. 012025, DOI:10.1088/1742-6596/447/1/012025. URL consultato il 24 febbraio 2018.
  18. ^ A caccia di asimmetrie, su asimmetrie.it.
  19. ^ (IT) varaschin, DA ATLAS LA MISURA PIÙ PRECISA A LHC 
DEL BOSONE W, SCOPERTO DA RUBBIA, su home.infn.it. URL consultato il 24 febbraio 2018.
  20. ^ (EN) Extra dimensions, gravitons, and tiny black holes | CERN, su home.cern. URL consultato il 24 febbraio 2018.
  21. ^ Overall detector concept, in ATLAS Technical Proposal, 1994.

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