L'esperimento CMS al CERN

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.L' 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.

Il programma di ricerca di CMS

La collaborazione di CMS ha un vasto programma di ricerca, il cui scopo è fornire una spiegazione agli interrogativi ancora aperti nella fisica delle particelle, per esempio:

• Che cos'è la materia oscura?
• Come è fatto il settore di Higgs del Modello Standard?
• Quale è la spiegazione microscopica della gravità?

Il programma spazia dallo studio delle proprietà del bosone di Higgs, scoperto da CMS e ATLAS nel 2012, alle misure di precisione di grandezze del Modello Standard, fino alla ricerca di nuove particelle o di anomalie nel settore della fisica del mesone B.
Per sapere di più sull'attività di ricerca di CMS vai su CMS Physics.

Il rivelatore

CMS 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: "drift tubes" (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 (ECAL) 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

All'inerno di CMS, il gruppo di Roma di CMS si è contraddistinto per i suoi contributi allo sviluppo e alla costruzione del calorimetro elettromagnetico e alla scoperta del bosone di Higgs nei suoi canali di decadimento in due fotoni, in due bosoni Z e in due bosoni W. Inoltre, il gruppo è stato coinvolto in molte ricerche di nuove particelle (risonanze di alta massa, materia oscura, particelle a vita media lunga), oltre che a misure di osservabili del Modello Standard. Attualmente, le attività del gruppo si concentrano su:

• studio delle proprietà del bosone di Higgs
• ricerca di fisica oltre il Modello Standard
• fisica del mesone B
• performance nella ricostruzione di fotoni, elettroni e getti adronici di particelle
• calibrazione e funzionamento di ECAL
• realizzazione del nuovo rivelatore di tempo MTD di CMS

I membri del gruppo hanno svolto e continuano a svolgere ruoli di coordinamento per diversi gruppi di lavoro all'interno di CMS, che hanno per argomento il calorimetro elettromagnetico, le prestazioni del rivelatore nella ricostruzione degli oggetti o i vari settori della fisica delle particelle in cui il gruppo è coinvolto.

Inoltre, nella sezione INFN di Roma è presente uno dei centri del sistema di calcolo distribuito del CERN sul quale i fisici della collaborazione eseguono le loro ricerche, denominato Tier-2. Questo riceve i dati raccolti a LHC ed immagazzinati nei centri di primo livello (Tier-1). 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. Per saperne di più consulta la pagina di attività di ricerca del gruppo.

Il gruppo di Roma lavora in sinergia con gli altri gruppi di CMS dislocati presso istituti stranieri e italiani. In particolare fa parte della rete di gruppi italiani CMS Italia.

Uno sguardo al futuro

Nei prossimi anni è previsto un upgrade dell'LHC che ne aumenterà la luminosità di circa 5-7 volte. Questo incrementerà il numero di collisioni tra protoni prodotte ad LHC, ma CMS opererà in un ambiente molto più radioattivo di quello attuale, analizzando un maggior numero di interazioni per unità di tempo.
Per mantenere le sue eccellenti prestazioni nella ricostruzione degli eventi di LHC, CMS verrà dotato di un nuovo rivelatore per la misura di precisione del tempo di volo delle particelle, denominato MTD (MIP Timing Detector). Il rivelatore sfrutterà cristalli scintillanti di LYSO per la misura del passaggio delle particelle incidenti. Il gruppo di Roma attualmente è impegnato nella caratterizzazione dei cristalli che verranno utilizzati per realizzare il detector. Per saperne di più consulta la pagina di attività di ricerca del gruppo.