Gli operatori del CCC CERN Control Center hanno spento i fasci del Large Hadron Collider (LHC). Dopo quattro anni di intensa e onorata attività che ha portato i fasci di protoni a collidere all’energia di 13 TeV, LHC ha prodotto una ricchissima messe di dati.
LHC: il bosone di Higgs
Con questi dati, i fisici hanno cominciato a delineare un ritratto alquanto accurato del bosone di Higgs e a definire per la prima volta molti dettagli e comportamenti ancora poco noti delle altre particelle del Modello Standard. LHC, il superacceleratore del CERN di Ginevra, come da programma, ha interrotto la presa dati per una lunga pausa di due anni, chiamata in gergo LS2, Long Shutdown 2.
LS2 non sarà però una pausa di riposo, anzi. Nel corso del futuro biennio 2019-2020, infatti, fisici, tecnici e ingegneri saranno impegnati a realizzare un sostanziale processo di ammodernamento del più potente acceleratore del mondo e di tutti i suoi grandi esperimenti: ATLAS, CMS, ALICE e LHCb.
Durante il Run 2, ossia il secondo periodo di presa dati, durato dal 2015 al 2018, LHC ha raddoppiato le specifiche di progetto, producendo 150 femtobarn inversi (fb-1) di dati con collisioni protone-protone all’energia di collisione di 13 TeV per ciascuno dei due esperimenti ATLAS e CMS che registrano dati alla massima intensità di macchina.
LHC: l’universo primordiale
L’enorme quantità di dati è archiviata in modo permanente nel data center del CERN: oltre 300 Petabyte (300 milioni di Gigabyte), cinque volte quelli prodotti durante il Run 1, l’equivalente di 1000 anni di streaming video 24/7 con una connessione internet a 10 Mb/s! Analizzando questi dati, gli esperimenti a LHC hanno già prodotto una grande quantità di risultati, accrescendo la nostra conoscenza dell’universo primordiale e facendo luce sui segreti della materia.
“Negli ultimi anni, il lavoro delle collaborazioni scientifiche che conducono gli esperimenti a LHC ha consentito un enorme progresso nella nostra comprensione delle proprietà del bosone di Higgs e del Modello Standard”, sottolinea Fabiola Gianotti, Direttore Generale del CERN. “Queste conoscenze sono fondamentali, perché il bosone di Higgs è una particella molto speciale e unica nella nostra ricerca di nuova fisica”.
Dopo la sua scoperta annunciata nel 2012, e premiata con il Nobel l’anno successivo, gli esperimenti a LHC hanno confermato alcuni dei tassi di decadimento attesi per il bosone di Higgs, tra cui il decadimento più comune ma difficile da rivelare nei quark bottom, e la rara produzione del bosone di Higgs in associazione con i quark top. Gli esperimenti ATLAS e CMS hanno anche determinato con la massima precisione il valore della massa del bosone di Higgs.
LHC: le collisioni protone-protone
Accanto al bosone di Higgs, gli esperimenti a LHC hanno prodotto una vasta gamma di risultati e centinaia di articoli scientifici, tra cui la misurazione di alta precisione della massa del bosone W (la cui scoperta è valsa il Nobel a Carlo Rubbia e Simon van der Meer nel 1984), la scoperta di nuove particelle esotiche con l’esperimento LHCb, come la Ξcc ++ e i pentaquark, la rivelazione di fenomeni finora non osservati in collisioni piombo-piombo in ALICE.
“LHC in questi quattro anni, ha prodotto collisioni protone-protone all’energia nel centro di massa di 13 TeV, mai raggiunta prima in laboratorio, sorpassando i limiti di progetto in quantità e qualità dei dati forniti agli esperimenti, che hanno saputo raffinare le tecniche di selezione e analisi con un’efficienza altissima”, sottolinea Nadia Pastrone, dell’INFN Sezione di Torino, presidente della Commissione Nazionale I dell’INFN che coordina l’attività di ricerca dell’Istituto nel campo della fisica delle alte energie.
“ATLAS e CMS, – prosegue Pastrone – a soli sei anni dalla scoperta, hanno raggiunto risultati che hanno superato le previsioni e competono in precisione con le predizioni teoriche nello studio del bosone di Higgs, portando avanti incisivamente il programma di ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard”. “LHCb ha sperimentato con successo una nuova tecnica di processamento online dei dati per raccogliere il più consistente campione di dati per lo studio della fisica del sapore e fornire nuove eccellenti misure”.
“Tutti gli esperimenti hanno provato su fascio parte dei nuovi apparati che verranno installati e messi in funzione in LS2”. “E ALICE, insieme agli altri esperimenti, ha raccolto dati da collisioni di ioni Xe-Xe e Pb-Pb”. “Per la prima volta in LHC si è provato con successo a collimare i fasci di ioni Pb usando cristalli piegati, tecnica di cui l’INFN detiene competenze notevoli, in fase di studio per High Luminosity LHC”, conclude Pastrone.
LHC e il nuovo si stema di radiofrequenza
Durante LS2, l’intero complesso dell’acceleratore e degli esperimenti sarà potenziato e aggiornato per il prossimo Run di LHC, anticipando in parte il futuro progetto High Luminosity LHC (Hi-Lumi o HL-LHC), che vedrà la luce e inizierà a raccogliere dati dopo il 2025. Aumentare la luminosità di LHC significa produrre molti più dati, consentendo lo studio di eventi più rari, con nuove possibilità di scoperta.
In particolare, gli iniettori che producono i fasci di protoni per LHC saranno rinnovati per produrre fasci più intensi. Il primo acceleratore lineare della catena di accelerazione lascerà posto al nuovissimo Linac4, che accelererà gli ioni idrogeno (protoni), consentendo di produrre fasci più luminosi. Il secondo acceleratore della catena, il Proton Synchrotron Booster, sarà dotato di un sistema di iniezione e accelerazione completamente nuovo. Il Super Proton Synchrotron (SPS), l’ultimo iniettore prima di LHC, avrà un nuovo sistema di radiofrequenza per aumentare l’intensità del fascio. Inoltre, saranno migliorate le linee di trasferimento.
“Questi due anni saranno fondamentali per LHC per portare avanti una serie di interventi di manutenzione della macchina”, spiega Mirko Pojer del CERN, uno dei responsabili dell’operazione di LHC. “Ma soprattutto durante lo stop – aggiunge Pojer – si procederà a modificare uno degli elementi di protezione dei potenti magneti di LHC, intervento grazie al quale il campo magnetico potrà essere aumentato e con esso l’energia della macchina, fino a raggiungere un nuovo record: 7 TeV per fascio, 14 TeV nel centro di massa delle collisioni”.
LHC e l’aggiornamento delle tecnologie
Tutti gli esperimenti a LHC aggiorneranno parti importanti dei loro rivelatori. L’esperimento LHCb verrà sostituito quasi interamente, migliorando le prestazioni nella velocità di acquisizione dei dati. Anche ALICE aggiornerà la tecnologia dei suoi rilevatori di tracciamento per aumentarne la velocità di lettura. ATLAS e CMS saranno potenziati e inizieranno a preparare alcune parti dei loro apparati per ottimizzare il funzionamento a Hi-Lumi LHC.
“Questo potenziamento sarà la nuova sfida per LHC e per i suoi esperimenti quando i fasci di protoni riprenderanno a circolare nel grande anello magnetico lungo 27 km nella primavera del 2021”, conclude Pojer.
