Viaggio inedito e un po' stravagante nel campo delle particelle elementari

Gigantesco magnete del Fermilab inizia il suo viaggio nei “calanchi”  della fisica quantistica

Due anni fa, un enorme magnete ha fatto la sua strada da Brookhaven, New York a Fermilab, Illinois, via Florida e il Mississippi. E non è la cosa più strana che su di esso è avvenuta.

 Il magnete in arrivo, un po’ portentosamente  al Fermilab.

Il magnete in arrivo al FermiLab

Jon Butterworth fa parte del gruppo di fisica delle alte energie UCL che dispone di 40 accademici, di ricerca , personale tecnico e 30 dottorandi. E’ uno dei più grandi gruppi degli Stati Uniti con aree di ricerca che abbracciano: teoria / fenomenologia, rivelatore, software e acceleratore R & S e l'analisi dei dati provenienti da LHC (Large Hadron Collider), materia e esperimenti su neutrini oscuri.

La  ricerca è focalizzata in 6 aree della fisica:

·         per capire il meccanismo di rottura della simmetria elettro-debole attraverso il bosone di Higgs e di altre misure con ATLAS e di condurre gli aggiornamenti di ATLAS per massimizzare questa comprensione;

·         comprendere la natura del neutrino e la sua relazione alla materia definita come antimateria, asimmetria e fisica oltre il Modello Standard (SM) tramite misurazioni a MINOS +, NEMO-III,

Nemo III

Nova e SuperNEMO e lo sviluppo di nuovi modelli fenomenologici;

·         Sonda QCD nel nuovo ambiente di alta molteplicità, grandi spinte e molteplici interazioni che LHC fornisce e utilizzare i progressi compiuti a beneficio della nostra rottura come evidenzia il programma sulla simmetria elettrodebole e lo sviluppo di migliori modelli di struttura protone e interazioni QCD;

·         comprendere la natura della materia oscura attraverso la sua rivelazione diretta utilizzando i rilevatori LUX e LZ ;

·         sonda per la fisica a scale di energia oltre il LHC attraverso: uno studio di altissima energia (UHE) interazioni dei neutrini con ANITA / ARA, una misura di precisione del momento magnetico del muone con l’esperimento FNAL g-2  e una ricerca del leptone carico come violazione sapore con l’esperimento COMET e l'incorporazione di questi dati in via di sviluppo o vincolare modelli della fisica oltre il SM (modello standard);

·         sviluppi di rivelatori a piombo di nuova generazione e acceleratori, in particolare rivelatori Xe basso fondo, rilevatori di liquido-Ar e accelerazione wakefield plasma protoni-guida;

Gran parte del  lavoro tecnico è in via di sviluppo con la produzione di acceleratori di particelle di nuova generazione, rivelatori e sistemi di lettura / DAQ che trovano  applicazioni al di fuori della fisica delle particelle: stiamo sviluppando DAQ per l'europeo a raggi X Free Electron Laser a DESY, ottimizzazione dell’acceleratore e sistemi di rilevazione per la terapia di UCLH Hadron centro di cancro, rilevatori di plastica scintillatore a immagine di grandi volumi di carico (Cream Tea) per applicazioni di sicurezza e ad alta purezza e infine rilevatori basso di sfondo per le applicazioni ambientali.

Ci sono anche diverse iniziative di sensibilizzazione  e diversi membri del gruppo vengono visualizzati spesso in TV e radio e si pubblicano articoli sulla stampa nazionale.

Particelle infinitesimamente piccole, come gli elettroni  e i muoni che ci bombardano dallo spazio, sono piccoli magneti. Questo perché trasportano un momento angolare - spin - e hanno anche la carica elettrica.

I campi magnetici accadono ogni volta che la carica elettrica si muove intorno, quindi il fatto che ci sia una carica con spin porta ad un dipolo magnetico – cioè hanno due poli, Nord e Sud, come la Terra, o qualsiasi altro magnete - non è una grande sorpresa. Che cosa può essere più sorprendente è che effettuando misurazioni precise della forza di questi dipoli magnetici può dare barlumi in regioni della fisica oltre la portata anche del CERN Large Hadron Collider

Il Large Hadron Collider

, cioè il più potente acceleratore di particelle al mondo.

Come avviene la costruzione di un orologio svizzero da 750 tonnellate. In questo modo viene descritta solo una parte del progetto.

Chris Polly, Fermilab, responsabile del progetto

La forza del dipolo magnetico è proporzionale alla rotazione moltiplicato per la carica, diviso per due volte la massa. Il numero che si riferisce le tre cose è convenzionalmente chiamato "g". (Penso che questo sia da "rapporto giromagnetico", ma non sono sicuro.) Tuttavia, elettroni e muoni sono abbastanza piccoli che la meccanica quantistica, specificatamente l'equazione di Dirac, è necessaria al fine di descrivere il loro comportamento in modo accurato. L'equazione di Dirac prevede g = -2, ed è quasi giusto. La risposta effettiva per l'elettrone è -2,00231930436152 con un'incertezza di ,00000000000054. Sul [PDG] cioè il data-base delle particelle è una delle grandezze misurate con più precisione e meglio calcolata nel mondo.

Il valore per il muone è molto simile, -2,00233184178 con un'incertezza di circa 0,0000000012. E’ misurato meno preciso rispetto l'elettrone, come ci si potrebbe aspettare, in quanto i muoni sono meno comuni degli elettroni e più difficili da memorizzare. Ma più interessante, la teoria e l'esperimento in disaccordo nel caso del muone, di circa 3,4 sigma. Questo è abbastanza una discrepanza per motivare un sacco di fatica per calcolare e misurare il valore più preciso.

Il punto è che la ragione per cui g non è esattamente 2 è che le correzioni quantistiche, coinvolge altre particelle, che girano piccoli, come loop transitori, e quindi entrano in gioco. Se la misura non è d'accordo con la teoria, questo potrebbe essere dovuto al fatto che nuove particelle, non presenti nel modello Standard, stanno andando ad influenzare tali cicli. Alcune di loro potrebbero anche avere masse così alte che non possono essere visti direttamente al LHC, ma la loro influenza potrebbe essere osservata nel muone g, e in particolare g-2, e quindi la piccola differenza dalla previsione di Dirac è dovuta a questi cicli quantistici .

L'inizio dei dati per l’assunzione dell'esperimento.

Mark Lancaster, UCL

Le misurazioni sono cominciate questa settimana mediante l’arrivo del super-preciso, magnete di seconda mano di Fermilab. E 'stato spostato da Brookhaven, dove la misura più precisa finora è stato fatta, a Fermilab, perché Fermilab ha più intense sorgenti di muoni, e quindi una misurazione ancora più precisa può essere fatta proprio lì. Il magnete è progettato per produrre un campo magnetico forte, uniforme. Quando muoni orbitano nel campo, i loro dipoli magnetici oscillano, e da queste oscillazioni, possono essere misurati in g. (Ci sono più informazioni su come l'intero esperimento funziona qui.)

Dopo molto attento  riassemblaggio della base del magnete - "come la costruzione di un orologio svizzero da 750 tonnellate", secondo Chris Polly, il responsabile del progetto per l'esperimento - il magnete è stato ora raffreddato. Sono stati installati oltre mille spessori speciali fatti di acciaio  a”basso tenore di carbonio '' su espansioni polari del magnete, per migliorare l'uniformità del campo magnetico di un fattore cento. La dimensione degli spessori è lavorata con una precisione nettamente inferiore alla larghezza di un capello umano. Uno speciale 'shim-cart'

Lo shimming cart

è stato costruito per effettuare le misurazioni:

 Il piccolo "shim-cart" tra espansioni polari del magnete,  come stretching finale per iniziare le sue misurazioni del campo magnetico. E guardandolo sembra più  affascinante in quanto fatto in casa. 

Come Mark Lancaster, all' UCL si lavora anche sulla sperimentazione: "Questo  strumento segna davvero l'inizio dei dati assunzione dell'esperimento. In definitiva abbiamo bisogno di conoscere meglio il campo di 1 parte su dieci milioni. "

Se il disaccordo con il Modello Standard cresce la precisione aumenta, l'esperimento muone g-2 può dare la prima indicazione precisa sulla strada per rispondere ad alcune delle grandi questioni della fisica che sono lasciate aperte dal Modello Standard.

ATLAS.

Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, ci da l'accesso a una nuova area di fisica presso l'alta frontiera dell'energia. Si esplora la validità del Modello Standard della fisica delle particelle al di sopra della simmetria elettrodebole scala di rottura, e la ricerca di questa nuova fisica che porterebbe la nostra conoscenza al di là di esso, rispondendo a domande fondamentali come: esistono più dimensioni temporali spazio alla nostra portata? La supersimmetria ha un senso? Che cosa è la materia oscura, e possiamo produrne un po '? Perché c'è più materia di antimateria? Speriamo che la scoperta del bosone di Higgs, che ha portato alla cessione del 2013 Fisica Premio Nobel a F.Engelert e P.Higgs sia solo il primo di una lunga serie di scoperte di LHC e l'esperimento ATLAS.                                     ATLAS è uno dei due rivelatori di uso generale in costruzione a LHC per studiare le collisioni protone-protone a energie più alte finora ottenuti negli acceleratori di fisica delle particelle. Attualmente l'LHC è in modalità di spegnimento, non in funzione per un periodo di 2 anni, dopo aver dati raccolti che superano le previsioni più ottimistiche fino ad un energia di collisione di 8 TeV. Saranno raccolti i dati e verranno aggiornati i rivelatori come l'LHC aumenta l'energia verso 14 TeV.                                                                                              Il gruppo UCL è coinvolto in molti aspetti dell'esperimento ATLAS, soprattutto nel misurare la produzione di getti e la loro sottostruttura, le ricerche per il bosone di Higgs, misurazioni dettagliate di produzione di particelle per migliorare la comprensione della cromo-dinamica quantistica, e altro ancora. Contribuisce ai meccanismi di trigger complessi che permettono l'esperimento di registrare gli eventi più interessanti, contribuisce a costruire una parte del rivelatore di traccia e mantenere alcuni dell'elettronica per esso, e che sono responsabili di alcuni pezzi chiave del software ATLAS, tra cui il display eventi ATLANTIS e il Tempo Tester Esegui. L'LHC rimarrà macchina frontiera dell'energia del mondo per molti anni a venire, e stiamo portando sviluppi tecnici per diverse aree di aggiornamenti pianificati al rivelatore, in modo da continuare a sfruttare le possibilità ed estendere la nostra conoscenza della fisica fondamentale. ATLAS, LHC lavorano anche per la fisica finalizzata al grande pubblico.

SuperNEMO

SuperNEMO è l'esperimento decadimento doppio beta senza neutrini di nuova generazione, che sostituirà NEMO-3 quando si smette di funzionare. L'obiettivo è quello di costruire un rivelatore sensibile ad un periodo 0νββ decadimento dell'ordine di 1026 anni, e ad una massa neutrino efficace dell'ordine di 50 MeV. E' proposto un disegno modulare, basato su una geometria rettangolare anziché cilindrico in NEMO-3, con una massa totale di arricchiti isotopi β ß di almeno 100 kg (cioè dieci volte la quantità in NEMO-3).

Ogni modulo sarà cuboidale nella forma (circa. 5 m di lunghezza per 3 metri alto da 1m di larghezza, fatte salve le limitazioni di spazio del laboratorio), con le lamine di origine posti verticalmente al centro. Le facce interne della camera saranno occupati con calorimetro, costituito da blocchi di scintillatore plastico con tubi fotomoltiplicatori incorporati in essi. Tra le lamine di origine e le pareti del calorimetro vi sarà l'inseguitore, costituito da una matrice di celle Geiger verticali.

SuperNEMO sarà composto da 20 moduli identici; uno di questi, il modulo Demonstrator, sarà costruito in anticipo rispetto agli altri ed è dovuto essere commissionata in loco nel 2013. Il sito preferito è un nuovo laboratorio a Modane (Extension LSM), a condizione fondi possono essere ottenuti per costruirlo.