Il rivelatore universale di muoni

L'anello del grande solenoide

Il Large Hadron Collider (LHC) di 27 km è il più grande e potente acceleratore di particelle mai costruito. Accelera i protoni quasi alla velocità della luce, in senso orario e antiorario, per poi colliderli in quattro punti attorno al suo anello. In questi punti, l'energia delle collisioni tra particelle è trasformata in particelle d’irrorazione di massa in tutte le direzioni.

Il rilevatore del solenoide compatto per i muoni (o CMS) si trova in uno di questi quattro punti di collisione. È un rilevatore universale progettato per osservare qualsiasi nuovo fenomeno fisico che l'LHC potrebbe rivelare. CMS agisce come una gigantesca telecamera ad alta velocità, prendendo "fotografie" 3D di collisioni di particelle da tutte le direzioni fino a 40 milioni di volte al secondo.

Sebbene la maggior parte delle particelle prodotte nelle collisioni siano "instabili", esse si trasformano rapidamente in particelle stabili che possono essere rilevate dal CMS. Identificando (quasi) tutte le particelle stabili prodotte in ciascuna collisione, misurando la loro quantità di energia, e quindi mettendo insieme le informazioni di tutte queste particelle che è come mettere insieme i pezzi di un puzzle, il rilevatore può ricreare una "immagine" della collisione per ulteriori analisi.

IL CMS

Funzionamento del CMS

Il rivelatore da 14.000 tonnellate a 15 metri di altezza e 21 metri di lunghezza, è davvero abbastanza compatto per tutto il materiale che contiene. Progettato per rilevare particelle note come muoni in modo molto accurato ha il più potente magnete a solenoide mai creato. Il rivelatore CMS ha la forma di una cipolla cilindrica, con diversi strati concentrici di componenti. Questi componenti aiutano a preparare "fotografie" di ogni evento di collisione determinando le proprietà delle particelle prodotte in quella particolare collisione. E’ fatto da: particelle flettenti, generate da questo potente magnete.

Necessita difatti un potente magnete per piegare le particelle cariche mentre volano verso l'esterno dal punto di collisione. Piegare le traiettorie delle particelle, aiuta a identificare la carica della particella ed anche che le particelle caricate positivamente e negativamente si piegano in direzioni opposte nello stesso campo magnetico.

Ci consente di misurare la quantità di moto della particella: in un campo magnetico identico, le particelle ad alto momento si piegano meno rispetto a quelle a basso numero d’impulsi.

IL CMS tracker

Il magnete a solenoide, dà il suo ultimo nome a CMS, ed è formato da una bobina cilindrica di fibre superconduttive. Quando l'elettricità (18.500 ampere!) viene fatta circolare in queste bobine, non incontra resistenza: la magia della superconduttività - e può generare un campo magnetico di circa 4 tesla, che è circa 100.000 volte la forza del campo magnetico terrestre. L’alto campo magnetico deve essere limitato al volume del rivelatore ed è fatto dal "giogo" in acciaio che costituisce la gran parte della massa del rilevatore. Le bobine magnetiche e il suo giogo di ritorno pesano a 12.500 tonnellate, di gran lunga il componente più pesante del CMS. Il solenoide è il più grande magnete del suo tipo mai costruito e consente di posizionare il tracker e i calorimetri  all'interno della bobina, ottenendo un rilevatore complessivamente "compatto" rispetto ai rilevatori di peso simile.

L'identificazione delle tracce

Le particelle di curvatura non sono sufficienti: il CMS deve identificare con precisione molto elevata i percorsi di queste particelle cariche piegate. Il piegamento viene fatto da un tracker in silicio costituito da circa 75 milioni di singoli sensori elettronici disposti in strati concentrici. Quando una particella carica vola attraverso lo strato tracker, interagisce elettromagneticamente con il silicio e produce un colpo - questi singoli colpi possono quindi essere uniti per identificare la traccia della particella che attraversa.

 La misurazione dell'energia

Il calorimetro ECAL

Le informazioni sulle energie delle varie particelle prodotte in ogni collisione sono cruciali per capire cosa si è verificato nel punto di collisione. Queste informazioni sono raccolte da due tipi di "calorimetri" nel CMS. Il calorimetro elettromagnetico (ECAL) è lo strato interno dei due e misura l'energia di elettroni e fotoni fermandoli completamente. Gli adroni, particelle composite composte da quark e gluoni, volano attraverso l'ECAL e vengono fermati dallo strato esterno chiamato Hadron Calorimeter (HCAL).

La rilevazione dei muoni

La particella finale che CMS osserva direttamente è il muone. I muoni appartengono alla stessa famiglia di particelle dell'elettrone, sebbene siano circa 200 volte più pesanti. Non vengono fermati dai calorimetri, quindi devono essere costruiti speciali sotto-rivelatori per rilevarli mentre attraversano il CMS. Questi sub-rivelatori sono intercalati con il giogo di ritorno del solenoide. Il grande magnete del CMS ci consente anche di misurare il momento di ciascun muone sia all'interno della bobina superconduttiva (dai dispositivi di localizzazione) che all'esterno (dalle camere dei muoni).

LHC ad alta luminosità

Il progetto High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) mira a potenziare le prestazioni dell'LHC al fine di aumentare il potenziale di scoperte dopo il 2025. L'obiettivo è aumentare la luminosità di un fattore 10 oltre il valore di progettazione dell'LHC.

La luminosità è un indicatore importante delle prestazioni di un acceleratore: è proporzionale al numero di collisioni che si verificano in un dato periodo di tempo. Maggiore è la luminosità, maggiori sono i dati che gli esperimenti possono raccogliere per consentire loro di osservare processi rari. L'LHC ad alta luminosità, che dovrebbe essere operativo entro il 2025, consentirà studi precisi delle nuove particelle osservate al LHC, come il bosone di Higgs. Permetterà l'osservazione di processi rari inaccessibili al livello di sensibilità attuale dell'LHC.  Ad esempio, LHC ad alta luminosità produrrà fino a 15 milioni di bosoni di Higgs all'anno, rispetto agli 1,2 milioni prodotti nel 2011 e 2012.

Il progetto LHC ad alta luminosità è stato annunciato come la massima priorità della “strategia europea” per la fisica delle particelle nel 2013 e il suo finanziamento è sancito dal CERN.

Questo sviluppo dipende da diverse innovazioni tecnologiche. La prima fase del progetto è iniziata nel 2011 con lo studio di progettazione "HiLumi LHC". La prima fase ha riunito molti laboratori degli stati membri del CERN, nonché di Russia, Giappone e Stati Uniti. Gli istituti negli Stati Uniti hanno preso parte al progetto grazie al supporto di LARP (programma LHC Accelerator Research Program).Lo studio di progettazione si è concluso il 31 ottobre 2015 con la pubblicazione di un rapporto di progettazione tecnica, che segna l'inizio della fase di costruzione del progetto al CERN e nell'industria.Il CERN destinerà 950 milioni di CHF del proprio budget per un periodo di 10 anni allo sviluppo del LHC ad alta luminosità.

Il CERN openlab ha già tenuto il suo workshop tecnico annuale, con la partecipazione di rappresentanti del CERN openlab, società e organizzazioni che collaborano nella camera del consiglio del CERN, evidenziando i progressi compiuti dai progetti openlab del CERN attivo nell'ultimo anno.

Il 2018 segna l'inizio della sesta fase triennale del CERN openlab, e una parte del workshop è stata dedicata alla discussione delle future sfide ICT. Questi sono stati raggruppati in tre argomenti: tecnologie e infrastrutture del data center, prestazioni di calcolo e software e apprendimento automatico, analisi dei dati. Le sfide ITC identificate in questi argomenti sono alla base dei progressi in diversi campi di ricerca scientifica e contribuiranno a dare forma al futuro lavoro del CERN openlab.

"Il nostro workshop tecnico annuale è una grande opportunità, - ha affermato Maria Girone, CERN openlab CTO- per tutte le persone che lavorano sui progetti openlab del CERN - compresi i nostri collaboratori dell'industria - con rappresentanti degli esperimenti LHC. Attendiamo quest’anno di collaborazione entusiasmante, lavorando per condurre attività di ricerca e sviluppo congiunte e affrontando le sfide ICT all'avanguardia poste dall'ambizioso programma di aggiornamento di LHC.”