Con la presentazione dei risultati alla sessione aperta del Council del CERN si è chiuso un anno dI prestazioni straordinarie per LHC, che ha raggiunto e di gran lunga superato molti dei parametri di disegno.


Durante la presa dati di collisioni protone-protone all’energia nel centro di massa di 13 TeV, da aprile a ottobre, gli esperimenti ATLAS e CMS hanno osservato 6,5 milioni di miliardi (6,5 x 10¹⁵) di interazioni, registrando una quantità di dati superiore al 60% rispetto alle previsioni iniziali. Dati essenziali per studiare i processi di fisica più rari e per questo più interessanti. Si calcola, ad esempio, che solo due milioni di queste collisioni abbiano prodotto un bosone di Higgs, permettendo la conferma della sua scoperta con una significatività statistica combinata di circa 10 sigma, quindi ben oltre la soglia dei 5 sigma, richiesta per poter parlare di ‘osservazione’. “Gli esperimenti si stanno avvicinando ormai all’osservazione della produzione di coppie di top quark in associazione con un bosone di Higgs”, sottolinea Roberto Tenchini, responsabile nazionale INFN di CMS.

Si sono studiate anche le proprietà dei bosoni W e Z, i massicci portatori della forza debole responsabile dei decadimenti radioattivi, e del quark top, oggetti prodotti copiosamente nelle collisioni protone-protone a LHC. La collaborazione ATLAS ha recentemente presentato la prima misura della massa del bosone W effettuata utilizzando dati presi a un’energia nel centro di massa di 7 TeV. “Il valore misurato – spiega Marina Cobal, responsabile nazionale INFN di ATLAS – è in linea con la previsione del Modello Standard ed è coerente con i valori misurati combinati agli acceleratori LEP e Tevatron”.
L’elevata statistica dei dati permette ad ATLAS e CMS di studiare con precisione ogni fenomeno fisico predetto dal Modello Standard, ottenendo finora un ottimo accordo con le previsioni teoriche e creando le premesse per ricerche di nuova fisica attesa con masse dell’ordine del TeV. Anche se non è stato ancora trovato alcun eccesso significativo, ulteriori vincoli sempre più stringenti sono stati messi su diversi modelli teorici, delimitando i possibili valori di massa e di probabilità di produzione di queste nuove particelle.

L’apparato sperimentale di TOTEM, disegnato per misurare con precisione, grazie a sofisticati rivelatori installati a grande distanza lungo il fascio, i protoni che emergono dalle collisioni a CMS, in una zona angolare di difficile accesso agli altri esperimenti, è stato esteso e migliorato per ottenere nuove misure di sezioni d’urto di estrema accuratezza. “Questo è stato per noi un anno particolarmente significativo, – mette in rilievo Emilio Radicioni, responsabile nazionale INFN di TOTEM –  perché per la prima volta, grazie all’integrazione della presa dati con quella di CMS, possiamo estendere la nostra esplorazione a nuovi territori finora inaccessibili a LHC”.

Prima della chiusura di fine anno si sono fatti collidere fasci di protoni con ioni di piombo a un’energia di 8,16 TeV, raccogliendo oltre 380 miliardi di collisioni, da cui hanno tratto vantaggio soprattutto gli esperimenti ALICE e LHCf. “Le eccezionali prestazioni di LHC e dell’esperimento – ricorda il responsabile nazionale INFN Vito Manzari – hanno consentito di centrare tutti gli obiettivi del programma sperimentale, che ha segnato il passaggio da una fase iniziale di scoperta a uno studio quantitativo delle proprietà del plasma di quark e gluoni che si forma nelle collisioni piombo-piombo alle energie di LHC”. Un importante risultato è rappresentato dalla misura della viscosità del plasma in funzione dell’energia del sistema che inaspettatamente è risultato avere le proprietà di un liquido ideale.

Il piccolo apparato di LHCf, reinstallato nel tunnel di LHC, ha preso parte alla presa dati con collisioni protone-piombo.  “Questo nuovo campione di dati – spiega Alessia Tricomi, responsabile nazionale INFN di LHCf – ci fornirà ulteriori informazioni utili a capire quale tra i modelli attualmente in uso descrive meglio l’interazione dei raggi cosmici primari con l’atmosfera e avrà un impatto fondamentale per meglio comprendere i misteri legati ai raggi cosmici di altissima energia”.

Anche l’esperimento LHCb ha chiuso il 2016 dopo un periodo di presa dati estremamente proficuo. “Molte analisi hanno portato interessanti novità a livello internazionale – ricorda Alessandro Cardini, responsabile nazionale di LHCb – nella misura delle probabilità di produzione di alcuni canali di fisica del quark b, nella scoperta di nuovi stati esotici della materia, e nella misura della violazione della simmetria materia-antimateria con la migliore precisione di sempre.” Alcune anomalie misurate da LHCb, non previste dalla teoria, permettono di esplorare in modalità complementare ad ATLAS e CMS il Modello Standard, consentendo in maniera indiretta l’accesso a scale di energia anche superiori a quelle raggiungibili da LHC. LHCb è inoltre l’unico esperimento di LHC in grado di iniettare gas all’interno del tubo a vuoto di LHC per studiare collisioni dei protoni da 6,5 TeV contro nuclei a riposo, fornendo importanti indicazioni a esperimenti su satelliti in orbita dedicati alla ricerca di segnali di materia oscura.

Tutti gli esperimenti stanno anche lavorando a sviluppare e costruire le nuove componenti sperimentali che dovranno essere installate al più tardi nel 2019-2020. “È un periodo cruciale per la fisica delle particelle, sia per le misure in corso che per la programmazione del futuro a breve e lungo termine – sottolinea Nadia Pastrone, presidente della Commissione Scientifica I dell’INFN, che coordina le ricerche in fisica delle particelle. “I fisici italiani – prosegue Pastrone – sono coinvolti in prima linea nell'individuazione dei nuovi passi per aggiornare la strategia europea della fisica delle particelle che verrà adottata nel 2020. Per la prossima fase ad alta luminosità di LHC (dal 2026), approvata definitivamente nel giugno scorso, sono in corso studi di fisica e un’attenta valutazione dei risultati del processo di ricerca e sviluppo che culminerà con la stesura dei documenti tecnici il prossimo anno”, conclude Pastrone.
LHC rientrerà in funzione a marzo 2017, dopo il periodo di manutenzione invernale, per riprendere nuovamente la ricerca e le misure di precisione con la più alta energia disponibile in laboratorio.