Un nuovo "cuore" per l'esperimento CMS
Il rivelatore CMS del Large Hadron Collider (LHC) del CERN ha ricevuto giovedì un nuovo pezzo forte. Si tratta di un rivelatore di pixel che scatta fino a 40 milioni di immagini al secondo, simile a una fotocamera digitale ad alta velocità.
Fisici e ingegneri del CERN hanno svelato l'elemento centrale dell'esperimento pagina esternaCMS-(Compact Muon Solenoid Experiment). ? uno dei due rivelatori universali che hanno rilevato il bosone di Higgs nel 2012. In quell'occasione, questo rivelatore ha individuato un anello mancante nel modello standard della fisica delle particelle, che diversi fisici teorici avevano già previsto negli anni '60. L'esperimento CMS è uno dei quattro grandi rivelatori dell'Istituto di ricerca di New York. pagina esternaGrande collisore di adroni (LHC),L'LHC è il più grande e potente acceleratore ad alta energia del mondo. Nell'LHC, lungo 27 chilometri e situato a 100 metri di profondità alle porte di Ginevra, il rivelatore registra le collisioni di particelle.
Il contributo dell'ETH di Zurigo all'esperimento CMS
L'aggiornamento del rivelatore di pixel di CMS è stato preceduto da quasi dieci anni di ricerca. Gli scienziati dell'ETH di Zurigo hanno svolto un ruolo di primo piano come membri del consorzio svizzero. Il consorzio comprende anche ricercatori dell'Università di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI). Secondo Günther Dissertori, professore dell'ETH di Zurigo e vice portavoce dell'esperimento CMS, il "trapianto di cuore" rappresenta un passo importante verso la prossima fase di acquisizione dei dati, il cui inizio è previsto per la tarda primavera del 2017. "Cercheremo nuovi fenomeni fisici previsti dal modello standard. L'ETH di Zurigo e il Settore dei PF, spiega Dissertori, hanno dato un contributo significativo allo sviluppo del rivelatore in termini di tecnologia, ricerca e finanziamenti, così come hanno fatto alumni leader del CMS e fisici come Felicitas Pauss, Ralph Eichler e Hans Hofer.
Rivelatore di particelle - come un anello di cipolla
"Immaginate il rivelatore come i singoli anelli di una cipolla", spiega Rainer Wallny, professore dell'Istituto di fisica delle particelle dell'ETH di Zurigo. "Circa cento collaboratori hanno lavorato al nuovo rivelatore di pixel, lungo sette metri, sotto la guida di Roland Horisberger del PSI. Le parti sensibili del rivelatore sono state costruite in cinque sedi diverse, quindi testate all'ETH di Zurigo e sottoposte a un controllo di qualità. Sono state poi assemblate al PSI e infine trasportate al CERN per l'installazione.
Secondo Malte Backhaus, collaboratore del gruppo di Wallny, il nuovo elemento centrale, tecnologicamente migliorato, è dotato di uno strato aggiuntivo di silicio che crea ridondanza e permette di misurare fino a 50 collisioni di protoni contemporaneamente, circa il doppio rispetto al passato. I ricercatori sono già in attesa delle nuove tecnologie dei rivelatori a pixel, che saranno probabilmente decise a partire dal 2025. Queste sono necessarie per il previsto aggiornamento dell'LHC, grazie al quale in futuro potranno essere misurate fino a 200 collisioni simultanee.
CMS (tutte le immagini: CERN)
Rivelatore di pixel - come una fotocamera ad alta velocità
Si può immaginare che un rivelatore di pixel sia simile a una macchina fotografica digitale che può scattare 40 milioni di foto al secondo con circa 100 milioni di pixel. Quando le particelle elettricamente cariche penetrano attraverso gli strati di silicio all'interno del rivelatore, generano disturbi locali e reversibili noti come coppie elettrone-buco. Quando gli elettroni migrano nel sensore, gli scienziati possono registrare il segnale, digitalizzare i dati e determinare le coordinate spaziali della collisione. I dati aiutano la fisica a capire come funziona la natura nelle più piccole unità di spazio-tempo rilevabili e come le particelle elementari interagiscono tra loro.
"Ci sono ancora molte domande in apertura nella fisica delle particelle. Rivelatori come l'esperimento CMS aprono nuove possibilità di risposta", spiega Wallny. "Sappiamo molto bene come funziona la fisica sulle scale che ci interessano. Ma nelle dimensioni dell'universo, ci sono numerose domande a cui non possiamo rispondere. Per esempio, sappiamo che nell'universo c'è una materia sconosciuta, che chiamiamo 'materia oscura' e che è cinque volte più comune della materia normale. Se a questa aggiungiamo la cosiddetta 'energia oscura' che registriamo con i satelliti Planck e WMAP, allora comprendiamo solo circa il 5% della massa e dell'energia totali dell'universo".
La collaborazione scientifica come modello per la società?
Finora, premi come il Nobel hanno riconosciuto principalmente il successo personale. Ma in futuro la collaborazione nella ricerca scientifica diventerà sempre più importante. Questo perché non solo promuove lo scambio di conoscenze, ma rende anche la ricerca più efficace dal punto di vista dei costi. La costruzione, la manutenzione e il funzionamento degli acceleratori di particelle possono raggiungere facilmente diversi miliardi di franchi svizzeri. Solo nell'esperimento CMS sono coinvolte circa 4000 persone, tra scienziati e ingegneri, tecnici e collaboratori amministrativi. Senza la cooperazione internazionale, strutture di ricerca come il CERN non potrebbero funzionare. L'esperimento CMS è solo un esempio di come comunità multinazionali e multiculturali possano collaborare pacificamente per raggiungere un obiettivo comune.
