Un approccio rivoluzionario al Large Hadron Collider

I ricercatori stanno studiando se le particelle di materia oscura siano effettivamente prodotte all’interno di un getto di particelle del Modello Standard.

L’esistenza della materia oscura è un mistero di lunga data nel nostro universo. La materia oscura costituisce circa un quarto del nostro universo, ma non interagisce in modo significativo con la materia normale. L’esistenza della materia oscura è stata confermata da una serie di osservazioni astrofisiche e cosmologiche, comprese le recenti splendide immagini scattate dal telescopio spaziale James Webb. Tuttavia, ad oggi, non è stata riportata alcuna osservazione sperimentale della materia oscura. L’esistenza della materia oscura è una questione che gli scienziati e gli astrofisici delle alte energie di tutto il mondo indagano da decenni.

Progressi nella ricerca sulla materia oscura

“Ecco perché conduciamo ricerca scientifica di base, per esplorare i segreti più profondi dell’universo. Il Large Hadron Collider è in CERN “È il più grande esperimento mai realizzato e le collisioni di particelle che creano condizioni simili al Big Bang possono essere sfruttate per cercare segni di materia oscura”, afferma il professor Deepak Kar, della Scuola di fisica dell’Università di Witwatersrand a Johannesburg, Sud Africa. .

Una rappresentazione grafica di come apparirebbero i getti quasi visibili nel rilevatore ATLAS se esistessero. Credito: CERN

Lavorando all’esperimento ATLAS al CERN, Carr e l’ex studentessa di dottorato Sukanya Sinha (ora ricercatrice post-dottorato presso l’Università di Manchester), hanno ideato un nuovo modo per cercare la materia oscura. La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Lettere di fisica B.

Un nuovo approccio per la rilevazione della materia oscura

“Negli ultimi decenni sono state effettuate numerose ricerche sulla materia oscura presso l’LHC, e queste si sono concentrate su particelle massicce che interagiscono debolmente, chiamate WIMP”, afferma Carr. “Le WIMP sono una delle classi di particelle che si ipotizza spieghino la materia oscura perché non assorbono né emettono luce e non interagiscono fortemente con altre particelle. Tuttavia, poiché finora non è stata trovata alcuna prova dell’esistenza delle WIMP, possiamo si rese conto che la ricerca della materia oscura richiedeva un salto quantico.

La dottoressa Sukanya Sinha e il professor Deepak Kar. Credito: Wis University

“Ciò che ci chiedevamo era se le particelle di materia oscura vengono effettivamente prodotte all’interno di un flusso di particelle del Modello Standard”, ha detto Carr. Ciò ha portato alla scoperta di un nuovo rilevatore noto come getti quasi visibili, che gli scienziati non avevano mai osservato prima.

Le collisioni di protoni ad alta energia spesso producono spruzzi paralleli di particelle, raccolte nei cosiddetti getti, provenienti dal decadimento di quark o gluoni ordinari. Flussi semi-visibili possono formarsi quando i quark oscuri virtuali decadono in parte in quark del Modello Standard (particelle conosciute) e in parte in adroni oscuri stabili (la “parte invisibile”). Poiché vengono prodotti in coppia, di solito insieme a getti aggiuntivi del modello standard, si verifica uno squilibrio energetico o una perdita di energia nel rilevatore quando tutti i getti non sono perfettamente bilanciati. La direzione dell’energia perduta corrisponde spesso a uno dei getti quasi visibili.

Ciò rende molto difficile la ricerca di getti vicino-visibili, poiché questa firma di evento può verificarsi anche a causa di getti misurati in modo errato sul rilevatore. Il nuovo metodo di Carr e Sinha per la ricerca della materia oscura apre nuove direzioni nella ricerca dell’esistenza della materia oscura.

“Sebbene la mia tesi di dottorato non contenga la scoperta della materia oscura, stabilisce i primi e abbastanza rigorosi limiti superiori a questa modalità di produzione e sta già ispirando ulteriori studi”, afferma Sinha.

La collaborazione ATLAS al CERN ha evidenziato questo come uno dei risultati chiave da annunciare alle conferenze estive.

Riferimento: “Investigazione sulla produzione non risonante di getti vicini visibili utilizzando i dati ATLAS Run 2” di The ATLAS Collaboration, 11 novembre 2023, Lettere di fisica B.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Gli esperimenti condotti al Large Hadron Collider in Europa, come il calorimetro ATLAS mostrato qui, forniscono misurazioni più precise delle particelle fondamentali. Fonte immagine: Maximilian Price, CERN

Esperienza dell’Atlante

L’esperimento ATLAS è uno degli sforzi scientifici più importanti del CERN, l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare. È una parte fondamentale del Large Hadron Collider (LHC), l’acceleratore di particelle più grande e potente del mondo. Situato vicino a Ginevra, ATLAS, che sta per “A Toroidal LHC ApparatuS”, si concentra sull’esplorazione degli aspetti fondamentali della fisica.

ATLAS è progettato per esplorare una vasta gamma di questioni scientifiche. Cerca di comprendere le forze fondamentali che hanno plasmato il nostro mondo dall’inizio dei tempi e che ne determineranno il destino. Uno dei suoi obiettivi principali è studiare il bosone di Higgs, la particella associata al campo di Higgs, che conferisce la massa alle altre particelle. La scoperta del bosone di Higgs nel 2012, frutto di uno sforzo congiunto tra ATLAS e l’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid), è stata una pietra miliare nel campo della fisica.

L’esperimento cerca anche segni di nuova fisica, comprese le origini della massa, dimensioni extra e particelle che potrebbero costituire la materia oscura. ATLAS lo fa analizzando le innumerevoli particelle prodotte quando i protoni si scontrano quasi alla velocità della luce all’interno dell’LHC.

Lo stesso rilevatore ATLAS è una meraviglia tecnologica. È di dimensioni enormi, misura circa 45 metri di lunghezza, 25 metri di diametro e pesa circa 7.000 tonnellate. Il rilevatore è costituito da diversi strati, ciascuno progettato per rilevare diversi tipi di particelle risultanti da collisioni protone-protone. Comprende una serie di tecnologie: traccianti per rilevare le traiettorie delle particelle, calorimetri per misurare la loro energia e spettrometri per muoni per identificare e misurare i muoni, un tipo di elettrone pesante fondamentale per gran parte della ricerca fisica.

I dati raccolti da ATLAS sono enormi, spesso descritti nell’ordine dei petabyte. Questi dati vengono analizzati da una comunità globale di scienziati, contribuendo alla nostra comprensione della fisica fondamentale e portando potenzialmente a nuove scoperte e tecnologie.