Verso una nuova fisica con cristalli curvi:
Il doppio channelling cristallino è stato osservato per la prima volta al LHC, una pietra miliare per la futura ricerca sulle particelle a vita breve.
Potrebbero due cristalli curvi aprire la strada alla scoperta di una nuova fisica? Il Modello Standard della fisica delle particelle descrive il nostro mondo alle sue scale più piccole in modo eccezionalmente buono. Tuttavia, lascia alcune importanti domande senza risposta, come lo squilibrio tra materia e antimateria, l'esistenza della materia oscura e altri misteri. Un metodo per trovare una "nuova fisica" oltre il Modello Standard è misurare le proprietà di diverse particelle nel modo più preciso possibile e poi confrontare le misurazioni con la teoria. Se le due non concordano, potrebbe suggerire una nuova fisica e permetterci di ricomporre lentamente un quadro più completo del nostro Universo - come i pezzi di un puzzle. Un esempio di particelle che i fisici desiderano studiare più da vicino sono i "barioni charm" come il "Lambda-c-plus" (Λc+), che è un "cugino" più pesante del protone, composto da tre quark: uno up, uno down e uno charm. Queste particelle decadono in meno di un trilionesimo di secondo (10-13 s), il che rende qualsiasi misurazione delle loro proprietà una corsa contro il tempo. Alcune delle loro proprietà non sono ancora state misurate con alta precisione, lasciando spazio a una nuova fisica da scoprire. I momenti di dipolo magnetico ed elettrico delle particelle sono di particolare interesse.
In passato, misurazioni precise dei momenti di dipolo in altre particelle hanno fornito test chiave per le teorie consolidate e, a volte, hanno rivelato sorprese che indicavano una nuova fisica. Un nuovo concetto sperimentale mira a misurare le proprietà dei barioni charm utilizzando un bersaglio fisso e due cristalli curvi. I momenti di dipolo elettrico e magnetico possono essere misurati forzando le particelle su una traiettoria curva. Poiché i barioni charm decadono estremamente velocemente, tuttavia, le tecniche convenzionali che utilizzano campi magnetici non sono abbastanza forti da ottenere risultati misurabili. Un approccio alternativo potrebbe essere sfruttare il fatto che gli atomi all'interno di un cristallo sono ordinatamente organizzati come un reticolo tridimensionale, formando minuscoli canali quando visti da certe direzioni. Se un cristallo curvo viene posto all'interno di un flusso di particelle cariche, le particelle possono seguire questi canali, subendo deflessioni altrimenti irraggiungibili in una distanza così breve. Ciò rende possibili misurazioni su particelle a vita estremamente breve. Nella configurazione completa, un cristallo di silicio curvo viene inserito vicino al fascio di protoni all'interno di un flusso di particelle chiamato "alone secondario" - protoni che si sono allontanati troppo dal centro del fascio e che normalmente verrebbero assorbiti dal sistema di collimazione del LHC. Questo primo cristallo dirige le particelle lontano dal fascio principale del LHC verso un bersaglio di tungsteno dove le collisioni producono barioni charm. Un secondo cristallo di silicio poi piega il percorso delle particelle prodotte abbastanza fortemente da permettere una misurazione precisa dei loro momenti di dipolo con un rivelatore specializzato.
TWOCRYST è stato concepito come un esperimento di prova, progettato per testare se il concetto funziona davvero in pratica - dalle prestazioni dei cristalli alla precisione del loro allineamento. Dopo soli due anni di preparazione, TWOCRYST è stato installato nel LHC all'inizio dell'anno. "La configurazione sperimentale è una versione semplificata di un esperimento completo, costituita da due cristalli di silicio curvi, un bersaglio e due rivelatori 2D (un tracciatore a pixel e un tracciatore a fibre)", spiega Pascal Hermes, responsabile dello studio TWOCRYST. "Uno degli obiettivi è verificare se le particelle possono essere deflesse attraverso entrambi i cristalli in sequenza - il cosiddetto 'doppio channelling'." Le prime misurazioni di TWOCRYST a giugno a un'energia di 450 GeV hanno mostrato risultati promettenti. Tutto l'hardware appena installato è funzionale e operativo e, dopo che entrambi i cristalli di silicio sono stati attentamente allineati, le particelle "do ppiament e canalizzate" sono state osservate per la prima volta al LHC e alla più alta energia mai raggiunta. Il team completerà ora una serie di ulteriori test a energie più elevate di diversi TeV. Tutte le misurazioni saranno analizzate in dettaglio per determinare se si potrebbero raccogliere abbastanza barioni charm deflessi da giustificare un esperimento su larga scala. Qualunque sia il risultato, TWOCRYST ha già aperto un nuovo capitolo delle applicazioni dei cristalli al LHC. I risultati di TWOCRYST potrebbero ben plasmare la progettazione di futuri esperimenti a bersaglio fisso e nuovi concetti di controllo del fascio al LHC e oltre."
Didascalia: Chiara Maccani, dottoranda al CERN e all'Università di Padova, installa il rivelatore TWOCRYST Fibre Tracker nel tunnel dell'LHC. (Foto: Sune Jakobsen)
Fonte CERN
