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Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
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Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

totem 2018I ricercatori dell’esperimento TOTEM, che vede un'importante partecipazione dell'INFN, condotto al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, hanno trovato nei loro dati evidenza della possibile esistenza di una particella, che era stata ipotizzata negli anni ’70 del secolo scorso e allora chiamata Odderone. “Lo scambio di tale particella tra protoni – spiega Nicola Turini, della sezione INFN di Pisa e dell’Università di Siena, vice-responsabile della collaborazione TOTEM – è uno dei possibili modi, mai osservato finora, in cui i protoni interagiscono senza rompersi, e questa nostra nuova misura potrebbe effettivamente rappresentarne la prima prova sperimentale”.

Nell’anello sotterraneo lungo 27 km di LHC, gli scienziati accelerano e fanno scontrare fasci di protoni per vedere che cosa accade in queste collisioni. In particolare, l’esperimento TOTEM studia le collisioni elastiche, cioè le collisioni in cui i protoni non si spaccano, ma interagiscono tra di loro scambiandosi particolari aggregati di gluoni (le particelle mediatrici della forza nucleare forte). TOTEM studia cioè i processi di scattering e di assorbimento nelle collisioni elastiche tra i protoni e, poiché gli angoli di scattering in queste collisioni sono estremamente piccoli, i rivelatori di TOTEM, che si estendono per oltre 400 metri nel punto di interazione condiviso con CMS, sono posizionati a oltre 200 metri su ciascun lato, e devono stare a distanze submillimetriche dal fascio di protoni di LHC.

Questi processi di interazione tra protoni sono descritti da un parametro, detto rho. La variazione del parametro rho con l’energia delle collisioni dà indicazione dei diversi “modi” in cui i protoni possono interagire elasticamente, e delle differenze delle collisioni tra protoni e antiprotoni. La misura di TOTEM del parametro rho è la più precisa che sia mai stata realizzata ed è anche la prima misura di rho all’energia record di 13 TeV di LHC. Essa dimostra che il valore di rho è significativamente minore di quello atteso in base alle attuali conoscenze e, grazie alla precisione della misura, è stato possibile osservare per la prima volta altri modi di interazione dei protoni. Finora erano stati osservati i modi in cui i protoni interagiscono tra di loro elasticamente scambiandosi un numero pari di gluoni aggregati.

Secondo diverse pubblicazioni teoriche, TOTEM ora avrebbe osservato l’interazione tra protoni che prevede lo scambio di un numero dispari di gluoni aggregati, una possibilità prevista dalla cromodinamica quantistica (QCD), e descritta negli anni ’70 come particella con il nome di Odderone. In tal caso, il risultato di TOTEM avrebbe anche implicazioni sulla possibile osservazione da parte di altri esperimenti di un particolare tipo (spin=1) delle cosiddette glueball (sfere di gluoni), particelle composte unicamente di gluoni, estremamente difficili da misurare ma anch’esse previste dalla QCD.

Altre pubblicazioni teoriche mostrano che, nel caso in cui questa interpretazione non fosse corretta, allora il risultato di TOTEM rappresenterebbe la prima evidenza sperimentale che, oltre le energie raggiunte da LHC, la probabilità di interazione tra protoni cresce con l’energia meno rapidamente del previsto. Questo avrebbe implicazioni anche sulla progettazione dei futuri acceleratori di particelle. “In entrambe queste possibilità – nota Angelo Scribano, della sezione INFn di Pisa, chairman del TOTEM Collaboration Board – i risultati di TOTEM, approvati e pubblicati dal CERN come preprint, portano un contributo determinante alla conoscenza di questi fenomeni e ne spingono la frontiera ben oltre lo stato attuale”.

Attualmente i ricercatori dell’esperimento stanno analizzando una imponente mole di dati, raccolti nel 2015 unicamente da TOTEM grazie all’upgrade del sistema di acquisizione online (DAQ), finanziato in gran parte dall’INFN: questo nuovo studio permetterà di portare nuova luce sui diversi aspetti teorici. “Quando abbiamo accettato la sfida di aumentare di oltre 50 volte la capacità del sistema di acquisizione dati potevamo solo sperare che ciò potesse avere un tale impatto di fisica”, sottilinea Francesco Cafagna, della sezione INFN di Bari e responsabile nazionale INFN per l’esperimento TOTEM.

La collaborazione scientifica TOTEM conta circa 100 fisici provenienti da circa 20 Istituti di 8 Paesi tra Europa, Stati Uniti e Russia.