Si scopriranno tutti i segreti dei muoni

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.

La maggior parte delle particelle prodotte nelle collisioni "instabili", 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 , si mettono insieme i pezzi di un puzzle, il rilevatore può ricreare una "immagine" della collisione per ulteriori analisi.

Funzionamento del CMS

Il rivelatore da 14.000 tonnellate di 15 metri di altezza e 21 metri di lunghezza, è abbastanza compatto per tutto il materiale che contiene. Progettato per rilevare particelle 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

Necessita 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 e quelle 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 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 superconduttività

Zona a superconduttività del solenoide CMS

- può generare un campo magnetico di circa 4 tesla, 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 gran parte della massa del rilevatore. Le bobine magnetiche e il loro giogo di ritorno pesano 12.500 tonnellate, e sono i componenti più pesanti del CMS. Il solenoide è il più grande magnete del suo tipo mai costruito. Il tracker e i calorimetri posizionati all'interno della bobina, formano un rilevatore complessivamente "compatto" rispetto ai rilevatori di peso simile.

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 - i singoli colpi possono essere uniti per identificare la traccia della particella che attraversa.

 La misurazione dell'energia

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 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 sono fermati dai calorimetri, quindi per rilevarli devono essere costruiti speciali sotto-rivelatori mentre attraversano il CMS. Questi sub-rivelatori sono intercalati con il giogo di ritorno del solenoide. Il grande magnete del CMS 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 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 verificati in un 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 di osservare 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 e Russia, Giappone, Stati Uniti. Gli istituti negli Stati Uniti hanno preso parte al progetto grazie al supporto di LARP (programma LHC Accelerator Research Program).La progettazione si è conclusa nel 2015 con un rapporto di progettazione tecnica, segnando l'inizio della fase di costruzione del progetto al CERN e nell'industria. Il CERN destinerà 950 milioni di CHF del proprio budget per 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. Sono 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.