Più di venti tra fisici, ingegneri e tecnici della Sezione INFN di Pisa e del Dipartimento di Fisica e dell’Università di Siena sono stati protagonisti nella realizzazione di TOTEM, uno degli esperimenti più piccoli dei sei progetti a LHC.
TOTEM prevede di fare delle misure specifiche con tecniche sperimentali diverse dagli altri esperimenti,fondamentali per poter migliorare la nostra conoscenza della struttura interna del protone ed i meccanismi che determinano la sua forma e le sue dimensioni al crescere dell’energia. Si tratta quindi di misurare la frequenza delle collisioni protoneprotone ed estrapolarne la probabilità che un protone ha di interagire con un altro protone a queste altissime energie. Tale probabilità, strettamente connessa con le dimensioni reali del protone, ne fornisce appunto una misura. In particolare TOTEM studierà anche protoni che si sfiorano soltanto gli uni con gli altri quando i due fasci opposti di protoni s’incontrano e il risultato è di avere due protoni uscenti dal punto d’interazione deviati ad angoli così piccoli, rispetto alla linea dei fasci, che per essere rivelati è necessario porre dei rivelatori di particelle prossimi nel tubo a vuoto dell’acceleratore, dove appunto circolano i protoni in un verso e in quello opposto.
La misura della probabilità d’interazione protone–protone a LHC è importante per varie ragioni. Intanto questa probabilità non è una costante, ma cresce con l’aumentare dell’energia dei protoni, e quindi va misurata ad ogni nuova energia disponibile, in questo caso quella di LHC. Questa misura fornisce un numero che vogliamo conoscere, per stimare poi la probabilità di misurare eventi rari e interessanti da parte di tutti gli esperimenti a LHC. L’attuale previsione per questo numero proviene dall’estrapolazione all’energia di LHC di misure fatte negli anni passati ad energie molto più basse. L’incertezza teorica su questa previsione è molto alta, dovuta al fatto che ad oggi non risulta esserci ancora una spiegazione teorica pienamente soddisfacente delle collisioni complessive protone–protone, comprese quelle dove le particelle spesso si sfiorano soltanto, e la loro descrizione deve quindi rifarsi a modelli fenomenologici. Una misura precisa da parte di TOTEM aiuterà quindi a discriminare sui vari modelli oggi esistenti e aiuterà a comprendere meglio queste collisioni.
Il sistema di rivelazione dei protoni diffusi a piccolo angolo è formato da 10 rivelatori al silicio assemblati su 5 piani paralleli ( vedi foto in bn ).
Questa misura contribuirà anche ad una migliore comprensione della fisica dei raggi cosmici d’alta energia e l’interazione protoneprotone che avviene in LHC.
Non sono da escludere a priori delle sorprese su questa misura a LHC. Numeri diversi dalle previsioni teoriche sarebbero un segnale di nuova fisica: per esempio, l’esistenza di extra dimensioni compatte per lo spazio–tempo.
L’apparato sperimentale di TOTEM consiste di tre sottosistemi. Due sistemi di tracciatori, ovvero rivelatori di tracce di particelle cariche che sono situati nel solito sito dell’esperimento CMS. Posti attorno alla linea dei fasci e alle estremità di CMS, rivelano le particelle cariche eventualmente prodotte dalle collisioni fra protoni e ricostruiscono il vertice dell’interazione. Mentre i protoni, usciti intatti dalla collisione e diffusi ad angoli piccolissimi, vengono misurati da rivelatori posti a grande distanza dal punto d’interazione cioe' a 150 e 220 metri ! I rivelatori di TOTEM sono tutti simmetrici rispetto al punto d’interazione.
La sfida tecnologica è stata quella di produrre rivelatori senza bordo, cioè che siano efficienti fino al bordo interno del rivelatore prossimo al fascio, minimizzando la regione non sensibile.
Il numero totale dei singoli elementi di lettura dei segnali è di circa 250000 canali, letti da sistemi di elettronica appositamente sviluppati. Vediamo adesso come questi rivelatori sono utilizzati nella misura della probabilità di collisione fra protoni.
L’equazione di Einstein E=mc2, che esprime il principio di equivalenza massa–energia, cioè che la massa non è altro che una forma di energia, è valida nelle collisioni fra particelle elementari che generano nuove particelle aventi complessivamente la stessa energia, o massa. A seconda della configurazione di particelle prodotte nello stato finale, possiamo classificare queste collisioni secondo tre categorie. La complessiva probabilità di collisione protone–protone è data così dalla somma delle collisioni inelastiche,elastiche e di quelle quasi–elastiche.
Va infine ricordato che TOTEM fornirà misure molto precise sull’intensità dei fasci di protoni circolanti in LHC utili ai ricercatori.Ed ora veniamo ad
Lhc-b e Alice:
I mesoni B, particelle che contengono il quark chiamato b, ricoprono un ruolo fondamentale nell'interpretazione della violazione della simmetria tra la quantità di materia e antimateria presente nell'Universo.
Lhc-b esaminerà i processi di decadimento dei mesoni B osservando con elevata precisione tutte le particelle prodotte nelle collisioni.
Durante l'attività di LHC, i protoni potranno essere sostituiti con nuclei di piombo, l'acceleratore sarà quindi utilizzato per produrre energie 300 volte superiori a quelle attualmente raggiungibili. L'esperimento Alice indagherà lo stato, detto plasma di quark e gluoni, in cui la materia si trova a queste energie. I problemi con i sensori sono molteplici :facciamo un'esempio,nel laboratorio sotto il Gran Sasso si studiano i neutrini provenienti dal Sole ma poiche' interagiscono raramente con la materia rende il massiccio del Gran Sasso completamente trasparente, tanto che riescono a raggiungere gli esperimenti nelle sale sotterranee senza essere fermati.
Gallex è stato il primo esperimento al mondo a rivelare i neutrini elettronici provenienti dalle reazioni di fusione termonucleare che producono l'energia al centro del Sole. Sebbene mille miliardi di miliardi di neutrini attraversino l'esperimento ogni giorno, solo uno di questi, in media, viene assorbito da un nucleo di Gallio del "Gallex" il sensore predisposto ed in uso sino al 2000 .Una parte, circa la metà, scompaiono, anzi, presumibilmente si trasformano negli altri tipi di neutrini, che Gallex non è in grado di rivelare. In ordine dall'alto verso il basso ci sono le foto di un particolare del TOTEM del complesso Alice e due particolari reali dello stesso.Per un confronto c'e' un tecnico nell'immagine in basso !
