SUPER B (Super B-factory)

 

Nome: Super B-factory

Che cos’è: collisore elettrone-positrone (circonferenza 1,2 km) e rivelatore di mesoni B e D, leptoni tau

Dove: Consorzio Cabibbolab - Campus Università di Tor Vergata

Quando: l’inizio dei lavori di realizzazione dell’acceleratore è previsto nei primi mesi del 2013

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L’esperimento

Lo schema di SuperB è simile a quello di altri acceleratori per la ricerca, detti collisori poiché fanno continuamente scontrare particelle elementari per studiarne le proprietà. La peculiarità di SuperB è nell’intensità alla quale elettroni e positroni si scontreranno, di cento volte superiore rispetto a quelle mai raggiunte finora nel mondo. Questo consentirà di studiare fenomeni rarissimi, non previsti dal Modello Standard, la teoria che oggi descrive le particelle e i fenomeni subnucleari, per osservare effetti della cosiddetta “nuova fisica”.

 

Come è fatto

Il primo elemento dell’acceleratore SuperB è il Linac, un iniettore lineare dove sono prodotti cinquanta miliardi di particelle elementari in un secondo: elettroni e le loro antiparticelle, i positroni.

Il Linac inietta costantemente pacchetti di elettroni e positroni in un piccolo anello, detto accumulatore, dove vengono immagazzinati per alcuni milioni di giri, quindi estratti e iniettati in direzioni opposte nei due anelli principali di SuperB. Qui sono accumulati duemila pacchetti di cinquanta miliardi di positroni ed elettroni, che s’incrociano in un unico punto.  In questo punto è installato il rivelatore SuperB che acquisisce ed analizza le tracce delle nuove particelle e i fenomeni rari prodotti nella collisione.

 

 

Obiettivi scientifici

SuperB è una fabbrica di leptoni tau e di mesoni B e D, particelle complesse che al loro interno contengono quark di tipo "bottom" e "charm". I leptoni tau e i quark bottom e charm sono alcuni tra i mattoni fondamentali del Modello Standard. Il loro studio consentirà di ottenere nuovi e fondamentali indizi su effetti di nuova fisica, oltre il Modello Standard, per fare luce sulle questioni fondamentali della fisica moderna, dall’origine dell'Universo e la sua evoluzione, l'origine della massa, la natura della materia oscura, fino alla scomparsa dell’antimateria.

 

Tecnologia

SuperB si avvale di una tecnologia innovativa sviluppata nel 2009 ai Laboratori Nazionali di Frascati e testata sull’acceleratore Dafne. Grazie alla tecnica del “Crab Waist”, elettroni e positroni sono “strizzati” nel punto in cui collidono fino a dimensioni mai raggiunte prima (36 milionesimi di millimetro). Questa tecnica rende SuperB l’acceleratore con la capacità di produrre eventi da studiare (luminosità) più potente del mondo, aprendo inesplorate frontiere per la conoscenza del mondo subatomico.

Il progetto SuperB prevede inoltre la realizzazione di un competitivo FEL (Free Electron Laser), la cui luce avrà caratteristiche tali da permettere studi di biochimica, biofisica, nanotecnologie, struttura e caratteristiche dei materiali. Il Fel di SuperB lavorerà in sinergia con gli obiettivi di fisica fondamentale di SuperB, senza comprometterne in alcun modo le prestazioni.

 

Collaborazione

L’acceleratore SuperB sarà realizzato nel campus dell'Università di Roma "Tor Vergata" come parte del neocostituito “Laboratorio Nicola Cabibbo”, un consorzio tra l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e l'Università degli studi di Roma Tor Vergata. La collaborazione internazionale, costituita per la realizzazione del rivelatore SuperB, vede la partecipazione di nove paesi: Canada, Francia, Israele, Italia, Norvegia, Polonia, Russia, Regno Unito, Stati Uniti.

MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescope)

 

Nome: Magic (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescope)

Che cos’è: due telescopi gemelli per lo studio dei raggi gamma

Dove: Observatorio del Roque de Los Muchachos (European Northern Observatory) sull'isola di La Palma, Canarie

Quando: il primo telescopio è entrato in funzione nel 2003; il secondo nel 2009.

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> Raggi Gamma

 

 

 

L’esperimento

Magic è costituito da una coppia di telescopi parabolici dedicati allo studio dei raggi gamma di altissima energia che, con i loro 17 metri di diametro e gli oltre 240 mq di superficie riflettente ciascuno, rappresentano attualmente i più grandi dispositivi astronomici a specchio al mondo. Sono collocati sulla cima di un vulcano a 2200 metri di altitudine perché per operare nelle migliori condizioni c’è bisogno di un bassissimo inquinamento luminoso. I raggi gamma possono essere utilizzati come preziose fonti di informazione per la fisica astroparticellare, l'astrofisica e l'astronomia, fornendo così un importante contributo alle conoscenze di fisica fondamentale e di cosmologia.

 

Come è fatto

I raggi gamma sono fotoni, come quelli che compongono la luce visibile, ma molto più energetici. Ci sono due possibilità di osservarli: si possono collocare i rivelatori su satelliti in orbita nello spazio così da rivelarli prima che interagiscano con l'atmosfera terrestre. Oppure, si costruiscono rivelatori a terra che osservano, come Magic, la cosiddetta “luce Cherenkov”, cioè il bagliore emesso dalle particelle prodotte nell’interazione dei fotoni coi nuclei dell’atmosfera terrestre. Dei tre grandi telescopi gamma attualmente operativi Magic è quello che “vede più lontano”, e non solo monitora in modo indipendente il cielo ma è anche in comunicazione con i satelliti spaziali. Quando uno dei rivelatori posti su satellite avvista un gamma evento astrofisico interessante, ne comunica immediatamente a terra le coordinate. I due telescopi sono in grado di posizionarsi verso la direzione di provenienza della radiazione in meno di 30 secondi. Dall’analisi del segnale registrato, i ricercatori riescono poi a ricavare preziose informazioni sulla sorgente che ha prodotto i fotoni gamma, e quindi sui fenomeni astronomici che caratterizzano il nostro universo.

 

Obiettivi scientifici

I fotoni gamma non sono soggetti ai campi magnetici e quindi riescono ad arrivare sulla Terra conservando integra l'informazione sui processi che li hanno generati. Sono prodotti da eventi straordinariamente energetici che avvengono in situazioni particolari nel nostro universo: collassi gravitazionali e onde d'urto che si generano in prossimità di buchi neri durante il loro accrescimento, resti di supernova o Gamma Ray Bursts (Grb), cioè violente emissioni di raggi gamma di altissima energia che durano pochi attimi e di cui non si è ancora compresa a fondo la natura. I telescopi gamma sono anche impiegati nello studio della materia oscura, anche se con misure indirette. Queste misure sono possibili perché quando due particelle di materia oscura entrano in contatto possono annichilirsi: questo processo di annichilazione è osservabile dai rivelatori di raggi gamma perché gran parte dell’energia prodotta si presenta sotto forma di fotoni gamma, dotati di energie compatibili con la massa delle particelle di materia oscura e con caratteristiche che consentirebbero di distinguerle dal rumore di fondo.  

Tecnologia

L’interazione tra i fotoni gamma e i nuclei degli atomi che compongono l’atmosfera terrestre genera uno sciame di particelle e alcune di queste, viaggiando a velocità superiore a quella della luce nell’aria, producono un debole lampo che dura appena 2-3 nanosecondi (miliardesimi di secondo): questi bagliori vengono chiamati “luce Cherenkov”. Magic è in grado di raccogliere e focalizzare questa luce grazie alle centinaia di specchi che lo compongono, tutti allineati da un sistema di puntamento laser, e quindi di “fotografarla” per mezzo di una telecamera che ha una risoluzione temporale inferiore al nanosecondo. Per riuscire a cogliere la debole luce è necessario che le condizioni del cielo siano ottimali. Ecco perché i telescopi Magic sono collocati ad alta quota, dove l’inquinamento luminoso è davvero bassissimo (l'osservatorio si trova al centro di una riserva naturale) e le condizioni atmosferiche sono per la maggior parte dell'anno molto buone.  

 

Partecipanti/ collaborazione

La collaborazione Magic conta circa 150 ricercatori provenienti da una decina di Paesi, tra i quali Italia, Germania e Spagna svolgono un ruolo di primo piano. Il nostro Paese vi partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e le Università di Padova, Siena e Udine. Al contributo italiano si devono la superficie riflettente dei telescopi e gran parte del software e dell’elettronica per l'acquisizione dati.

 

 


LASER

 

Nome: Laser Flame (Frascati Laser for Acceleration and Multidisciplinary Experiments) e Sparc (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente)

Che cos'è: potenti sorgenti di radiazione elettromagnetica

Dove: SPARC_LAB presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Quando: In funzione dal 2009    

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Che cosa è un laser

A differenza delle altre sorgenti di luce tradizionali, quali le normali lampade ad incandescenza, il laser è un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente (proprietà di un’onda elettromagnetica di mantenere una certa relazione di fase con se stessa durante la sua propagazione), monocromatica (proprietà di emissione di un unico “colore”), concentrata in un raggio rettilineo estremamente preciso e di breve durata temporale (decine di femtosecondi). L’intesità luminosa, o luminosità, delle sorgenti laser (ovvero la possibilità di concentrare una grande potenza in un'area molto piccola) è inoltre molto maggiore di quella delle sorgenti tradizionali. All’INFN sono in funzione,b presso il laboratorio SPARC_LAB dei Laboratori Nazionali di Frascati, due laser di ultima generazione: Flame (Frascati Laser for Acceleration and Multidisciplinary Experiments) e Sparc (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente). Questi due laser sono usati per ricerche di punta nel campo delle nuove tecniche di accelerazione di particelle e per la produzione di radiazione di lunghezza d’onda corta.

 

Come sono fatti

La tecnologia laser si è molto evolutadall’entrata in funzione del primo laser nel 1954. Presso l’INFN sono in funzione laser di due tipi: laser atomici e laser ad elettroni liberi.

Laser atomici: l’intensità della luce viene amplificata durante il ripetuto passaggio in un opportuno cristallo (mezzo attivo) da cui l’origine dell’acronimo laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Il “colore” della luce emessa in questo tipo di laser è legato alle caratteristiche fisiche del cristallo e non può essere modificato senza cambiare cristallo. Il laser Flame appartiene a questa categoria.

Laser ad Elettroni Liberi o Fel (Free Electron Laser): sono i più recenti e sono costituiti da un lungo magnete denominato “ondulatore” in cui viene iniettato un fascio di elettroni prodotto da un acceleratore di particelle. L’ondulatore è caratterizzato da un campo magnetico sinusoidale  prodotto da una serie di piccoli magneti con polarità alternata. I Fel raggiungono lunghezze d’onda impossibili con altri tipi di laser. Il laser Sparc appartiene a questa categoria. 

 

Obiettivi scientifici

Le proprietà di coerenza, monocromaticità, luminosità ed impulsi corti sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto. L'elevatissima luminosità permette ai laser di accelerare particelle elementari (elettroni, protoni o ioni) attraverso l’eccitazione di enormi campi acceleranti in gas ionizzati (esperimenti attualmente condotti con il laser Flame). la monocromaticità e la coerenza li rende ottimi strumenti per l’analisi delle caratteristiche strutturali di nuovi materiali (nanotecnologie) o di indagine biomedica, con risoluzione crescente al diminuire della lunghezza d’onda della radiazione laser (esperimenti possibili con il laser Sparc). Ma anche lo sviluppo di nuove configurazioni di Fel, ad esempio più compatti o con ondulatori di nuova concezione, è un obiettivo scientifico di rilevanza internazionale. Inoltre la possibilità di far collidere i fasci di elettroni di Sparc con i fasci di radiazione di Flame offre la possibilità di produrre raggi X mediante il meccanismo della diffusione all’indietro della radiazione da parte del fascio di elettroni. Tale meccanismo denominato “Thomson back scattering” produce radiazione di lunghezza d’onda molto più corta di quella incidente pur perdendo alcune delle caratteristiche del fascio laser, quali la coerenza. Anche questo tipo di sorgente di radiazione ha importanti applicazioni in particolare nella diagnostica medica (mammografia).

 

Partecipanti/ collaborazione

Il successo delle attività in corso presso il laboratorio SPARC_LAB è il frutto di una fertile collaborazione tra il CNR, l’ENEA e le Università di Roma. L’esperienza maturata negli anni dall’INFN nella progettazione e realizzazione di acceleratori di particelle è alla base del funzionamento del laser Sparc che, come detto in precedenza, richiede l’iniezione di un fascio di elettroni accelerati. Il contributo dell’ENEA (Frascati) è focalizzato sulle attività connesse con la progettazione, realizzazione ed operazione della linea di luce Fel, mentre il gruppo del CNR ha gestito la realizzazione del laser di potenza Flame.

 

 


FERMI GAMMA-RAY SPACE TELESCOPE

 

 

Nome: Fermi Gamma-Ray Space Telescope

Che cos’è: è una missione NASA su satellite per lo studio dei raggi gamma

Dove: in orbita 565 Km di distanza dalla Terra

Quando: lanciato dal Kennedy Space Center, Cape Canaveral, il giorno 11 giugno 2008 alle ore 18.05 CET.

 

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> Raggi Gamma

 

 

 

L’esperimento

È un rivelatore di raggi cosmici, in particolare di raggi gamma, cioè fotoni di alta e altissima energia. È collocato a bordo di un satellite in modo da poter intercettare le particelle prima che esse interagiscano con l’atmosfera del nostro pianeta. È una missione della NASA, alla quale l’Italia partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), l’Istituto nazionale di Astrofisica (INAF) e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI).

 

Come è fatto

È composto di due rivelatori, il Lat (Large Area Telescope) e il Gbm (Glast Burst Monitor). Il Lat è lo strumento principale e ha una sensibilità mai raggiunta prima nel rivelare i raggi gamma con un’energia compresa tra 20 MeV e oltre 300 GeV. Il Gbm svolge indagini complementari a quelle del Lat ed è sensibile ai raggi X e ai raggi gamma con un’energia che va dai 6 keV ai 40 MeV. L’uso combinato di questi due rivelatori consente uno studio preciso di fenomeni cosmici come i Gamma Ray Burst (Grb), violente esplosioni di raggi gamma di cui si conosce ancora molto poco.

 

 

Obiettivi scientifici

L'universo è praticamente trasparente alla radiazione nella banda di energia di interesse per Fermi. I raggi gamma, infatti, sono in grado di percorrere pressoché indisturbati grandi distanze, perché non sono deviati dai campi magnetici. Questo ci consente di ricavare informazioni essenziali sulla natura delle loro sorgenti e di indagare così i fenomeni più violenti che avvengono nel cosmo. In particolare Fermi è dedicato allo studio dei meccanismi di accelerazione delle particelle e di emissione di radiazione elettromagnetica dai Nuclei Galattici Attivi (Active Galactic Nuclei, Agn), dalle pulsar, dai resti di supernova, dalle galassie, dai cluster di galassie e da oggetti del nostro sistema solare. È votato allo studio anche delle sorgenti gamma non identificate, della radiazione gamma diffusa galattica ed extra-galattica e dell’emissione di fotoni ad altissima energia nei Grb. Inoltre, ambisce a rivelare indirettamente particelle di materia oscura, quando decadono o si annichilano in fotoni o in elettroni e positroni.

 

Tecnologia

Il Lat è costituito da 16 torri, ognuna delle quali è composta a sua volta di un tracciatore-convertitore al silicio (in cui i piani di rivelazione sono alternati con lamine sottili di tungsteno) e un calorimetro elettromagnetico di ioduro di cesio. I raggi gamma che incidono sul rivelatore vengono convertiti in coppie elettrone-positrone nel tungsteno; le coppie vengono a loro volta tracciate dai rivelatori al silicio (il che permette di risalire, evento per evento, alla direzione e al tempo del fotone incidente) ed assorbite nel calorimetro (che permette di misurarne l'energia). Il tracciatore è circondato da uno schermo di anti-coincidenza (Acd) che serve a bloccare il fondo di particelle cariche, che in orbita bassa sono molto più numerose dei raggi gamma che il Lat è progettato per rivelare. Il Gbm è composto da 12 scintillatori di ioduro di sodio e da due rivelatori di germanato di bismuto. I primi coprono la parte delle energie più basse, da pochi keV a circa 1 MeV, i secondi la fascia di energia che va dai 150 keV ai 30 MeV.

 

Partecipanti/ collaborazione

La collaborazione italiana, supportata dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), dall'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI), ha avuto la responsabilità della costruzione e test del tracciatore al silicio (il più complesso dei sottosistemi del Lat) ed è attivamente impegnata nello sfruttamento scientifico dei dati della missione.

 

 


 

LHC (Large Hadron Collider)

 

 

Nome: Lhc (Large Hadron Collider)

Che cos’è: Acceleratore di particelle (protoni)

Dove: Ginevra, CERN

Quando: inaugurato nel 2008

   

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> Varie infografiche su LHC

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> L'avventura di LHC

> Bosone di Higgs

>Int. Bertolucci - Bosone di Higgs

> I giganti della fisica

 

L’esperimento

Con i suoi 27 km di circonferenza, è la macchina più grande del mondo. Serve a scoprire di che cosa è fatta la stragrande maggioranza della materia e dell’energia contenuta nell’Universo e a aprire nuove strade di indagine (la cosiddetta “nuova fisica") nel mondo delle alte energie. Il suo costo si aggira sui 3 miliardi di euro.

 

Come è fatto

All’interno del cerchio sono collocati sei esperimenti: Atlas, Cms, Alice, LHcB, LhcF, Totem. I protoni viaggiano in Lhc a una velocità pari a 0,999999991 la velocità della luce e compiono ogni secondo ben 11.000 giri completi dell'anello di 27 chilometri. L’energia dei pacchetti di protoni che viaggiano in Lhc è di 4 TeV (Tera electron volt) per fascio entro il 2013 ed è prevista salire a 7 TeV per fascio dopo la pausa di un anno prevista tra il 2013 e il 2015. All’interno dei rivelatori dei diversi esperimenti, i protoni si scontrano 40 milioni di volte al secondo. Avvengono, nei momenti di massima efficienza della macchina, fino a 25 collisioni tra protoni ogni 25 nanosecondi (miliardesimi di secondo), cioè circa 1 miliardo di collisioni al secondo.

 

Obiettivi scientifici

Una macchina così complessa ha diversi obiettivi. Uno dei più importanti è osservare per la prima volta con una ragionevole certezza il bosone di Higgs. Cioè la particella associata al campo che si ritiene sia responsabile della massa, l’ultimo tassello mancante tra le particelle fondamentali del modello standard con cui i fisici interpretano l’Universo. Altri obiettivi sono rilevare l’eventuale esistenza di particelle supersimmetriche (le gemelle “obese” di quelle conosciute) e di eventuali nuove particelle, studiare il plasma di quark e gluoni che viene realizzato nelle collisioni di ioni di piombo, osservare il decadimento dei mesoni B per capire meglio l’asimmetria tra materia e antimateria, verificare i modelli teorici che descrivono cosa succede ai raggi cosmici di altissima energia quando entrano nell’atmosfera, misurare la probabilità e le modalità degli urti tra protoni in Lhc.

 

Tecnologia

Lhc è formato da 9.600 magneti. 2.000 di questi sono superconduttivi e per questo mantenuti ad una temperatura di 271° sotto zero. All’interno di questi magneti superconduttivi funzionano 6.300 filamenti superconduttori al nobio-titanio, ognuno dei quali ha uno spessore di circa 6 millesimi di millimetro, 10 volte più sottile di un capello umano. Nonostante le sue dimensioni, Lhc è (relativamente) leggero: pesa solo 38.000 tonnellate in meno di 50 treni. I due esperimenti più pesanti sono Cms, con 12.500 tonnellate, e Atlas, con 7.000 tonnellate. In Cms c'è più ferro che nella Tour Eiffel. Gran parte di questa macchina è tenuta ad una temperatura di oltre 271 gradi sotto lo zero. Mentre nei punti dove avvengono le collisioni si raggiunge una temperatura 1000 miliardi di volte superiore a quella del cuore del Sole.

 

Partecipanti/ collaborazione

Circa 6.000 ricercatori di 37 Paesi del mondo.