Esperimento LHCb al CERN

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LHCb è uno dei quattro principali esperimenti presso il Large Hadron Collider, il più grande e potente acceleratore di particelle mai costruito, attualmente in funzione al CERN. Tra gli obiettivi principali dell’esperimento c’è lo studio dei meccanismi che hanno portato, nell’Universo primordiale, ad una piccola asimmetria tra materia e antimateria, originariamente prodotte in egual misura nel Big Bang. Oggi si ritiene infatti che proprio tali meccanismi siano i responsabili del fatto che l’Universo attuale (pianeti, stelle, galassie) è costituito quasi esclusivamente da materia.

E’ noto, infatti, che se particelle di materia e di antimateria vengono a contatto tra loro si annichilano, convertendo la loro massa in radiazione elettromagnetica. Se, quindi, in natura materia e antimateria si comportassero esattamente allo stesso modo, si sarebbero completamente annichilate immediatamente dopo il Big Bang, lasciando un Universo fatto solo di radiazione.

Una piccolissima asimmetria nel comportamento di materia e antimateria, nota come violazione della simmetria CP, potrebbe essere alla base del leggero squilibrio in favore della materia nell’Universo primordiale, facendo sì che quest'ultima non venisse completamente annichilata, e rendendo così possibile la formazione dell'Universo in cui viviamo.

La violazione di CP è stata osservata sperimentalmente per la prima volta nel 1964 in processi regolati dall’interazione debole in esperimenti condotti sui kaoni presso il laboratorio di Brookhaven, fruttando il premio Nobel per la fisica nel 1980. Importanti risultati sui kaoni sono stati ottenuti anche al CERN con l'esperimento NA48. Più recentemente la violazione di CP è stata osservata anche nel settore dei mesoni B, una particella composita contenente il quark b (bottom), presso gli esperimenti BaBaR (SLAC) e Belle (KEK), noti come B-factories. Queste scoperte hanno provato che la violazione di CP è un fenomeno universale nei processi dovuti alle interazioni deboli. Non vi è invece ad oggi alcuna evidenza sperimentale di violazione della simmetria CP nelle interazioni forti ed elettromagnetiche.

Il Modello Standard delle particelle prevede la possibilità di violazione di CP attraverso il meccanismo CKM, che descrive la probabilità che un quark si trasformi da un tipo (sapore) all’altro (per esempio da bottom a charm). Tuttavia, la violazione di CP prevista dal Modello Standard è troppo piccola per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria creatasi nell’Universo primordiale. La natura deve quindi aver previsto altre particelle (non ancora osservate) e altri meccanismi in grado di generare la quantità di violazione di CP necessaria per spiegare l’Universo in cui viviamo. E’ quindi una priorità della fisica dei giorni nostri quella di cercare segnali di nuova fisica oltre il Modello Standard. 

La ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard è alla base della costruzione del Large Hadron Collider (LHC). Il LHC si trova all'interno di un tunnel lungo 27 km che scorre a 100 m di profondità in prossimità del confine tra Francia e Svizzera. Le collisioni tra fasci di protoni di altissima energia (fino a 7 TeV per fascio) circolanti in direzioni opposte avvengono in quattro punti dell’anello, in corrispondenza dei quattro esperimenti principali: ATLAS, CMS, ALICE e LHC.

L'esperimento LHCb è prevalentemente dedicato allo studio della fisica del beauty ed in particolare alla misura dei parametri della violazione di CP e di decadimenti e fenomeni rari nella fisica delle particelle (mesoni e barioni) dotate di quark b. L’enorme quantità di mesoni B prodotti a LHCb (migliaia di volte più di quelli prodotti nelle B-factories) consente lo studio di questi mesoni con una precisione mai raggiunta sinora.

I mesoni B non sono presenti nell'Universo attuale, essendo particelle instabili, mentre si ritiene che dovevano essere piuttosto abbondanti subito dopo il Big Bang. Una volta generati in laboratorio vivono per un tempo brevissimo prima di decadere in altre particelle più leggere. Dallo studio e dal confronto dei decadimenti dei mesoni B e dei corrispondenti anti-mesoni, contenenti quark anti-b, è possibile ottenere importanti informazioni sui meccanismi che permettono di distinguere in natura la materia dall'antimateria.

Il rivelatore di LHCb (figura in basso), specificatamente progettato per rivelare i prodotti di decadimento dei mesoni B, è uno spettrometro in avanti, cioè tale da coprire angoli relativamente piccoli (< 17°) rispetto alla direzione dei dei fasci collidenti, dove i mesoni B vengono prodotti con maggiore probabilità. E’ costituito da una serie di rivelatori di diverso tipo, posizionati in successione al di là del punto di interazione. Un sotto-rivelatore particolarmente importante è il VELO (Vertex Locator), un rivelatore a strip di silicio finalizzato alla rivelazione delle tracce delle particelle cariche in prossimità del punto di interazione, essendo distante solo 8 mm dai fasci di protoni. Questo detector consente di stabilire con altissima precisione il punto in cui sono prodotti i mesoni B. Le tracce delle particelle cariche prodotte nel decadimento dei mesoni B vengono identificate da un sistema di tracciamento costituito da rivelatori a strip di silicio e a gas (straw tubes), immersi nel campo magnetico generato da un dipolo magnetico da 4.2 Tm. Altri sotto-rivelatori molto importanti sono quelli dedicati alla discriminazione dei diversi tipi di particelle (pioni, kaoni, protoni, etc), i cosiddetti RICH detectors, il cui funzionamento è legato ad un particolare fenomeno detto emissione di luce Cherenkov, quelli dedicati alla misura dell’energia delle particelle, il calorimetro elettromagnetico ed adronico, e quello dedicato alla rivelazione dei muoni (particelle simili agli elettroni, ma con massa circa 200 superiore), detto muon system.

La figura in alto mostra uno schema dello spettrometro di LHCb e dei vari sotto-rivelatori che lo compongono. In basso è mostrato un tipico evento registrato a LHCb durante la presa dati. Si notano chiaramente le tracce delle particelle cariche curvate dal campo magnetico, la luce Cherenkov prodotta nel RICH (magenta), le tracce di due muoni (viola) nel muon system e l’energia rilasciata nei calorimetri (mostrata sotto forma di istogrammi, blu e rosso).

La Collaborazione di LHCb consta di oltre 700 fisici appartenenti a circa 50 diverse Università e Laboratori in 15 paesi. Il Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell'Università di Ferrara è coinvolto attivamente nell’esperimento, insieme alla Sezione di Ferrara dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). I principali contributi del gruppo di Ferrara riguardano sia lo sviluppo di rivelatori (hardware) che il computing e l’analisi dati (software).

Attività hardware:

· Costruzione, installazione e collaudo del muon system

· Upgrade del RICH detector, test e caratterizzazione di rivelatori di luce (fotomoltiplicatori multianodo) e sviluppo di elettronica di readout dedicata.

Attività software:

· Computing (GRID, produzione, accounting, database);

· Sviluppo di trigger con tecnologia GPU;

· Analisi dati: studio di violazione di CP in decadimenti del mesone B, sviluppo di algoritmi per il flavor tagging, studio di decadimenti semileptonici del B, misura di branching ratios e analisi Daliz.

Per maggiori dettagli sull’esperimento LHCb consultare il sito: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/

Per maggiori dettagli sul CERN consultare il sito:  http://www.home.web.cern.ch/

Il gruppo di Ferrara (afferenti strutturati)

Università di Ferrara:                         INFN:

Prof. Roberto Calabrese                    Dr. Concezio Bozzi

Prof.ssa Eleonora Luppi                    Dr.ssa Stefania Vecchi

Dr. Luca Tomassetti                          Dr. Wander Baldini

Dr. Massimiliano Fiorini                     Dr. Mirco Andreotti

Dr. Luciano L. Pappalardo