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L'esperimento CMS al CERN

CMS


Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN è l'acceleratore di particelle più grande al mondo. Misura 27 km di circonferenza e si trova in un tunnel sotterraneo a 100 metri di profondità nella zona di confine fra Francia e Svizzera vicino a Ginevra. LHC permette di accelerare due fasci di protoni fino ad un'energia di 6.5 TeV e di farli collidere in quattro zone sperimentali attrezzate con rivelatori di particelle. Si tratta dell'energia più alta mai raggiunta in un acceleratore di particelle. Nelle collisioni l'energia dei protoni permette di produrre particelle di massa molto elevata e di ricercare nuove particelle finora sconosciute.

L'esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) è uno dei quattro esperimenti dell'LHC, ed è un apparato "general purpose", cioè i suoi rivelatori sono stati disegnati per poter rivelare tutte le particelle che vengono prodotte nelle collisioni e permettono così di cercare nuove particelle esotiche o altre anomalie che si possono produrre.

Dopo la scoperta del bosone di Higgs è di grande interesse lo studio delle sue proprietà e dei suoi canali di decadimento. Inoltre si cercano altre particelle che possano dare una spiegazione agli interrogativi ancora aperti nella fisica delle particelle, per esempio
come è fatto il settore di Higgs del Modello Standard?
esiste un solo bosone di Higgs o ce ne sono molteplici?
che cos'è la materia oscura?
esiste la supersimmetria?
quale è la spiegazione microscopica della gravità?

L'LHC produce anche in grande quantità particelle già note di alta massa, le cui proprietà possono essere studiate con grande precisione: i quark top e i bosoni W e Z.

Il Compact Muon Solenoid è un rivelatore di forma cilindrica, compatto ed ermetico che, grazie ai suoi molteplici strati, permette di rivelare elettroni, fotoni, muoni ed adroni carichi e neutri. La presenza di neutrini o altre particelle non interagenti è messa in evidenza attraverso l'energia mancante, misurata dallo sbilanciamento dei depositi energetici nel piano trasverso ai fasci. CMS è composto da un magnete solenoidale superconduttore che fornisce un campo magnetico di 3.8 Tesla. All'interno del solenoide sono installati, partendo dall'interno verso l'esterno, un tracciatore di silicio fatto di pixel nella parte più interna e strip nella parte più esterna, un calorimetro elettromagnetico (ECAL) per la rivelazione di elettroni e fotoni, un calorimetro adronico (HCAL) per la rivelazione di sciami adronici. All'esterno del magnete sono posizionate le camere per la rivelazione dei muoni, che utilizzano varie tecnologie: tubi a deriva (DT), "resistive plate chambers" (RPC) e "cathode strip chambers" (CSC). Per preservare l'ermeticità, la parte in avanti di CMS, da entrambi i lati, è chiusa da rivelatori che seguono la stessa stratificazione della parte cilindrica centrale.

Il calorimetro elettromagnetico di CMS è composto di circa 75000 cristalli scintillanti di tungstato di piombo. E` stato disegnato per identificare e misurare l'energia dei fotoni ed elettroni prodotti nelle collisioni protone-protone. Si tratta del calorimetro a cristalli più grande mai costruito ed è uno strumento di grandissima precisione, che gioca un ruolo fondamentale nella rivelazione del decadimento del bosone di Higgs in due fotoni. La precisione del calorimetro si ottiene grazie alla comprensione del rivelatore, alla sua calibrazione e allo studio dell'evoluzione nel tempo.

Il gruppo di Roma di CMS ha svolto un ruolo fondamentale nella fase di ricerca e sviluppo e nella costruzione del calorimetro elettromagnetico, e si occupa di garantire la calibrazione e la performance di questo rivelatore. Si interessa inoltre alla ricostruzione e calibrazione dei jet adronici mediante eventi in cui un jet adronico rincula ad un fotone altamente energetico. Il gruppo di Roma di CMS partecipa inoltre attivamente ad alcune delle analisi di punta dell’esperimento. Sfruttando le competenze su elettroni, fotoni e jet, il gruppo ha svolto un ruolo fondamentale nella scoperta del bosone di Higgs tramite i canali in due fotoni, in due Z e in due W. Il gruppo ha inoltre condotto molte analisi nel campo della ricerca di nuove particelle (risonanze di alta massa, materia oscura, particelle a vita media lunga), usando canali con fotoni, jet, o energia mancante. Alcuni dei membri del gruppo hanno svolto ruoli di coordinamento importanti sia nella comunità italiana, sia nell'esperimento CMS, per il calorimetro elettromagnetico o per la fisica (coordinamento della ricerca di nuove particelle esotiche, coordinamento della fisica dell'Higgs e coordinamento del gruppo di studio sulla performance di elettroni e fotoni, e jet). Attualmente S. Rahatlou è coordinatore della fisica di CMS.

A Roma è presente un Data Centre Tier-2 della LHC-Grid: il sistema di calcolo distribuito sul quale i fisici della collaborazione eseguono le loro ricerche. I dati raccolti a LHC sono divisi su una decina di centri Tier-1 distribuiti su scala mondiale i quali, a loro volta, li distribuiscono ai centri Tier-2. I Tier-2 quindi ospitano una frazione dei dati raccolti a LHC e dispongono di potenza di calcolo sufficiente per la loro analisi. Il Tier-2 di Roma dispone di quasi 1 PB di spazio disco e di oltre 1200 unità di calcolo ed è a disposizione di tutti i membri della collaborazione CMS.

E` previsto un upgrade dell'LHC per una fase di maggiore luminosità a partire dal 2023. In questa fase il calorimetro in avanti verrà sostituito con un nuovo calorimetro ad alta granularità, mentre nel calorimetro centrale verrà sostituita l'elettronica di lettura. Si sta inoltre studiando un rivelatore per la misura di precisione del tempo di volo delle particelle ("timing"). Le tesi disonibili riguardano l’analisi dei dati, la comprensione e la calibrazione del calorimetro elettromagnetico, l'upgrade del calorimetro elettromagnetico e lo sviluppo del nuovo rivelatore del timing di precisione.