Che la nuova fisica oltre il modello standard possa essere scoperta grazie a dei cristalli? È questa l’idea alla base del progetto TWOCRYST all’acceleratore LHC del CERN. TWOCRYST è stato concepito come dimostrazione di principio: è stato cioè progettato per testare un nuovo approccio sperimentale basato sull’impiego di cristalli per studiare particelle dalla vita brevissima. Dopo soli due anni di preparazione, TWOCRYST è stato installato in LHC all’inizio di quest’anno e ha ora condotto con successo le sue misure.
Il Modello Standard della fisica delle particelle descrive il nostro mondo alle sue scale più piccole in modo eccezionalmente efficace. Tuttavia, lascia alcune importanti domande senza risposta, come l’asimmetria tra materia e antimateria, la natura della materia oscura e altri misteri. Un metodo per scoprire questa “nuova fisica” oltre il Modello Standard è misurare le proprietà di diverse particelle nel modo più preciso possibile e poi confrontare le misurazioni con la teoria. Se non ci fosse concordanza tra misure e previsioni teoriche, si potrebbe ipotizzare una nuova fisica che permetta di ricostruire un quadro più completo del nostro universo, come i pezzi di un puzzle.
Un esempio di particelle che è interessante studiare a questo scopo è rappresentato dai barioni charmati (contenenti il quark charm), perché alcune delle loro proprietà non sono ancora state misurate con elevata precisione, lasciando spazio a nuove scoperte fisiche. Queste particelle decadono però dopo meno di un picosecondo (10-12 secondi), il che rende qualsiasi misurazione delle loro proprietà una corsa contro il tempo. In particolare, sono di interesse i momenti di dipolo magnetico ed elettrico di queste particelle. In passato, misurazioni precise dei momenti di dipolo in altre particelle hanno fornito verifiche chiave di teorie consolidate e, talvolta, hanno svelato sorprese che hanno aperto la strada a nuove scoperte fisiche.
Ora c’è un nuovo approccio sperimentale che mira a misurare le proprietà dei barioni charmati utilizzando un bersaglio fisso e due cristalli curvi. I momenti di dipolo magnetico ed elettrico possono essere misurati forzando le particelle su una traiettoria curva. Tuttavia, poiché i barioni charmati decadono in modo estremamente rapido, le tecniche convenzionali che utilizzano campi magnetici non sono sufficientemente potenti per ottenere risultati misurabili. Un approccio alternativo potrebbe essere quello di sfruttare il fatto che gli atomi all’interno di un cristallo sono ordinatamente organizzati come un reticolo tridimensionale, formando minuscoli canali se visti da determinate direzioni. Se un cristallo curvato viene inserito in un flusso di particelle cariche, le particelle potrebbero seguire questi canali, subendo deflessioni altrimenti irraggiungibili a una distanza così breve. Questo renderebbe quindi possibili misurazioni su particelle con vita media estremamente breve.
Nella configurazione sperimentale completa, un cristallo di silicio curvato è inserito vicino al fascio di protoni all’interno di un flusso di particelle chiamato ‘alone secondario’, e che è fatto di protoni che si sono allontanati troppo dal centro del fascio e che normalmente verrebbero assorbiti dal sistema di collimazione dell’acceleratore. Questo primo cristallo devia le particelle dal fascio principale di LHC verso un bersaglio di tungsteno dove le collisioni producono barioni charmati. Un secondo cristallo di silicio piega quindi il percorso delle particelle prodotte con una forza sufficiente a consentire la misurazione precisa dei loro momenti di dipolo con un rivelatore specializzato.
Le prime misurazioni di TWOCRYST a giugno a un’energia di 450 GeV hanno mostrato risultati promettenti. Tutto l’hardware appena installato è funzionante e operativo e, dopo che entrambi i cristalli di silicio sono stati accuratamente allineati, particelle ‘a doppio canale’ sono state osservate per la prima volta a LHC e alla massima energia mai raggiunta. La collaborazione TWOCRYST ha appena completato una serie di ulteriori test a energie più elevate, di diversi TeV.
“Tutte le misurazioni preliminari che sono state finora analizzate e i test effettuati sono molto promettenti, al punto da giustificare un esperimento su larga scala. Tuttavia, sarà utile attendere i risultati finali per avere un quadro completo. TWOCRYST ha già iniziato un nuovo capitolo nelle applicazioni dei cristalli a LHC e i suoi risultati potranno aprire la strada alla progettazione di futuri esperimenti a bersaglio fisso e nuovi approcci di controllo del fascio a LHC e anche nei futuri acceleratori”, commenta Nicola Neri responsabile nazionale della collaborazione TWOCRYST.
Alla collaborazione scientifica TWOCRYST partecipano CERN, INFN, IFIC – University of Valencia, IJCLab – Orsay, Malta University, UCAS, Warsaw University of Technology, IFJ PAN.
La news del CERN: Towards new physics with bent crystals.
