Con l’aumento dei campioni di dati e una maggiore energia di collisione, Run3 amplierà ulteriormente il già molto diversificato programma di fisica di LHC
Con le prime collisioni ad alta energia ha preso avvio nelle settimane scorse il nuovo periodo di presa dati, il Run3, per gli esperimenti all’acceleratore di particelle più potente del mondo, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, dopo oltre tre anni di lavori di aggiornamento e manutenzione (Long Shutdown 2).
I fasci circolano già nel complesso dell’acceleratore da aprile, quando LHC e i suoi iniettori hanno ripreso l’attività con nuovi fasci a maggiore intensità e maggiore energia. Ora, gli operatori di LHC sono pronti ad annunciare i “fasci stabili”, la condizione che consente di realizzare le collisioni tra protoni nei punti di interazione e agli esperimenti di accendere tutti i loro sottosistemi e iniziare a raccogliere i dati che verranno poi analizzati per la fisica. LHC funzionerà 24 ore su 24 per quasi quattro anni con un’energia record di 13,6 TeV, fornendo una precisione e un potenziale di scoperta mai raggiunti prima.
“Durante il Long Shutdown 2, sono stati realizzati molti interventi su LHC che hanno permesso di mettere l’acceleratore a regime e pronto a funzionare a un nuovo record di energia per i prossimi quattro anni”, commenta Mirko Pojer, co-responsabile del principale aggiornamento eseguito, il progetto DISMAC (Diode InSulation and MAgnet Consolidation), che ha rafforzato LHC per permetterne l’aumento sicuro di energia da 6,5 a 6,8 TeV, isolando uno dei componenti critici per la protezione dei magneti dell’acceleratore, i diodi. “Tuttavia questi lavori – prosegue Pojer – hanno anche spianato la strada al futuro progetto del CERN High Luminosity LHC, ci prepariamo a un futuro sempre “più brillante”.
I protoni saranno concentrati nei punti di interazione su una dimensione del fascio inferiore a 10 micron, per aumentare il tasso di collisione. Rispetto al Run1, durante il quale è stato scoperto il bosone di Higgs con 12 femtobarn inversi, ora nel Run3 saranno forniti 280 femtobarn inversi. Il femtobarn inverso è una misura del numero di collisioni o della quantità di dati raccolti: un femtobarn inverso corrisponde a circa 100 trilioni (100 x 1012) di collisioni protone-protone. Un aumento significativo che può aprire la strada a nuove scoperte.
“Durante il Long Shutdown 2, non è stato potenziato solo LHC, – spiega Roberto Tenchini, presidente della Commissione Scientifica Nazionale dell’INFN per la fisica delle particelle – anche i quattro grandi esperimenti hanno subito importanti aggiornamenti dei loro sistemi di lettura e selezione dei dati, con nuovi sistemi di rilevamento e infrastrutture informatiche, per fornire la massima efficienza alle nuove condizioni. Le modifiche consentiranno loro di raccogliere campioni di dati significativamente più grandi e di qualità superiore rispetto alle precedenti prestazioni, tant’è che durante il Run3, i rilevatori ATLAS e CMS prevedono di registrare più collisioni rispetto ai due precedenti Run messi insieme, l’esperimento LHCb ha subito un completo rinnovamento per aumentare la velocità di acquisizione dei dati di un fattore dieci, mentre ALICE punta ad aumentare di cinquanta volte il numero di collisioni registrate”, conclude Tenchini.
Con l’aumento dei campioni di dati e una maggiore energia di collisione, Run3 amplierà ulteriormente il già molto diversificato programma di fisica di LHC. Gli scienziati e le scienziate degli esperimenti sonderanno la natura del bosone di Higgs con una precisione senza precedenti e in nuovi canali. Potranno osservare processi precedentemente inaccessibili e saranno in grado di migliorare la precisione di misurazione di numerosi processi noti affrontando questioni fondamentali, come l’origine dell’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo. Le ricercatrici e i ricercatori studieranno le proprietà della materia a temperature e densità estreme e cercheranno anche candidati per la materia oscura e per altri nuovi fenomeni, sia attraverso ricerche dirette, sia indirettamente attraverso misurazioni precise delle proprietà delle particelle note.
“LHCb, dove b sta per beauty, è un esperimento dedicato alla ricerca della “bellezza” di un quark molto particolare, chiamato appunto beauty”, spiega Vincenzo Vagnoni, responsabile nazionale INFN di LHCb. “Questo quark ha delle peculiarità che lo rendono particolarmente utile per studiare con precisione le differenze di comportamento tra materia e antimateria, tra quark beauty e antiquark beauty. L’esperimento nella sua prima vita ha già realizzato le misure più precise al mondo di queste differenze, consentendo alla collaborazione LHCb, composta da circa 1500 scienziati da tutto il mondo, di cui il 16% dell’INFN, di pubblicare più di 600 articoli scientifici. Ora l’esperimento inizia una seconda nuova vita, con un rivelatore completamente ristrutturato e con una capacità di acquisire e analizzare dati potenziata di un ordine di grandezza. Il rivelatore acquisirà dati per svariati anni, e la collaborazione LHCb sta già pensando a come ammodernare la tecnologia per produrre un ulteriore miglioramento negli anni 2030, in quella che sarà la terza vita di LHCb”.
“I principali interventi di aggiornamento su CMS svolti durante il secondo Long Shutdown”, illustra Lucia Silvestris, responsabile nazionale INFN di CMS”, hanno riguardato molte delle componenti principali dell’esperimento. Un’attività portata a termine entro i tempi previsti anche grazie al decisivo contributo dei ricercatori INFN che fanno parte della collaborazione, e che, unitamente all’aumento dei campioni di dati e alla maggiore energia di collisione che sarà raggiunta con il Run 3, amplierà ulteriormente il già molto diversificato programma di fisica di CMS. Gli obiettivi dell’esperimento spazieranno infatti dallo studio del settore di Higgs, alle misure di precisione di grandezze del modello standard, come la massa del bosone W e del quark top, fino alla ricerca di nuove particelle o di anomalie nel settore della fisica del mesone B.”
“Confermando la tradizione che lo ha visto in prima linea nella realizzazione dell’esperimento e nella scoperta del bosone di Higgs, l’INFN, che partecipa alla collaborazione ATLAS con ben 14 gruppi diversi provenienti dalle proprie sezioni e dai propri laboratori e con molti giovani ricercatori, può essere senz’altro annoverato tra i protagonisti dell’inteso lavoro che ha contraddistinto l’appena conclusa fase di upgrade del rivelatore. Una partecipazione che proseguirà ovviamente anche nel nuovo periodo di presa dati, che avrà tra i suoi più interessanti obiettivi quello dello studio dettagliato delle proprietà dell’Higgs, e in particolare dei meccanismi attraverso i quali esso si accoppia sia con le altre particelle che con sé stesso”, conclude Stefano Giagu, responsabile nazionale INFN di ATLAS.
“In questi tre anni e mezzo di pausa il grande rivelatore ALICE, che studia in particolare stati della materia primordiale, ha cambiato volto”, spiega Massimo Masera, responsabile nazionale INFN di ALICE. “Alcuni rivelatori sono del tutto nuovi e tutti gli altri sono stati adattati alle condizioni di presa dati previste per il Run 3 di LHC. Grazie a questo importante upgrade ALICE sarà in grado di condurre misure di precisione su una grande mole di dati. La comunità INFN ha lavorato duramente e bene per arrivare puntuale a questo momento, nonostante le difficoltà degli ultimi due anni, e possiamo affermare con grande soddisfazione che l’esperimento è pronto per le nuove sfide che lo attendono”.
Anche gli esperimenti più piccoli a LHC, TOTEM, LHCf, MoEDAL con il suo nuovissimo sottorilevatore MAPP, e gli esperimenti FASER e SND@LHC installati di recente, sono pronti a esplorare i fenomeni nell’ambito ma anche al di là del Modello Standard, dai monopoli magnetici ai neutrini, ai raggi cosmici. Inizia così una nuova stagione di fisica, con in serbo un programma scientifico ampio e promettente.