Ioni Pesanti ad Energie Ultra-Relativistiche ad LHC: ALICE

ALICE è ad oggi una collaborazione di oltre 1300 persone, fra ricercatori e ingegneri, provenienti da 131 istituzioni di 32 diverse nazioni. La componente Italiana include le Università e Sezioni INFN  di Alessandria, Bari, Bologna, Cagliari, Catania, Frascati LNF , Legnaro LNL , Padova, Salerno , Roma La Sapienza, Torino, Trieste,  per un totale di 200 tra fisici e tecnologi, di cui 22 studenti PHD. 

L’esperimento studia le interazioni fra gli ioni piombo accelerati da LHC a energie ultra-relativistiche. Il suo gol è lo studio del Quark Gluon Plasma e dei fenomeni associati, e grazie alle notevoli e peculiari caratteristiche del rivelatore contribuisce in modo significativo anche ai risultati della fisica delle interazioni p+p alle energie dei molti TeV raggiunte da LHC.

 

   

Fig. 1

 

L’apparato (Fig. 1) è costituito da un magnete solenoidale e da più rivelatori differenti, per la gran parte contenuti entro il magnete e disposti a simmetria cilindrica attorno all’asse dei fasci di LHC. Ciò permette di rivelare, con alta efficienza, la moltitudine di particelle diverse prodotte negli urti ione-ione ad altissima energia (Fig. 2).

 

Fig. 2

 

L’apparato misura circa 20 metri in lunghezza e 16 in altezza e in larghezza. Partendo dal volume a ridosso della zona d’interazione e muovendosi radialmente verso l’esterno, vi sono: il rivelatore di vertice (ITS) costituito da 6 strati cilindrici di rivelatori al silicio: due a pixel di silicio (SPD), due a deriva di silicio (SDD) e due a microstrip di silicio (SSD), una camera di tracciamento a gas (TPC), rivelatori per elettroni, positroni ed altre particelle ad alto impulso; un rivelatore di tempo di volo (TOF); uno spettrometro per fotoni; un calorimetro elettro-magnetico (EMCAL). Oltre il magnete vi sono uno spettrometro per muoni, rivelatori dedicati al trigger e a misure calorimetriche a piccoli angoli, rivelatori di monitor per raggi cosmici.

I rivelatori che vedono una qualificante e a volte pressoché totale partecipazione italiana sono: il rivelatore di vertice ITS, per il quale i ricercatori di Trieste hanno dato un contributo fondamentale a partire dal progetto originale, soprattutto per quanto concerne SDD e SSD (Fig. 3); il TOF,  EMCAL , HMPID, lo spettrometro per muoni, lo ZDC. Fra i ricercatori italiani vi sono anche moltissimi responsabili dei gruppi di studio per le linee di fisica e analisi.

Fig. 3

 

I risultati dello studio condotto da ALICE sui fenomeni associati al Quark Gluon Plasma, il mezzo deconfinato fortemente interagente prodotto ad LHC nelle collisioni Pb-Pb, contribuiscono ad una migliore e più ampia comprensione della natura dell'interazione forte, non ottenibile da reazioni che comportino pochi nucleoni nel canale d’ingresso. Forniscono inoltre importanti risultati con cui confrontare le previsioni di evoluzione dell’Universo nei suoi primi istanti dopo il Big Bang; gli urti fra ioni piombo ad alta energia vengono infatti detti dei Little Bang, ovvero Big Bang su piccolissima scala (Fig. 4).

Fig. 4

 

Attualmente l'acceleratore LHC, e così pure gli esperimenti ad esso associati, sono in una fase di manutenzione e parziale upgrade, iniziata nel febbraio 2013 e che si protrarrà fino a tutto il 2014. Nel corso dell'ultimo anno e mezzo è proseguita per ALICE l’analisi dei dati di collisioni Pb-Pb e p-p raccolti, con il conseguimento di nuovi importanti risultati. 

Tra questi, particolarmente notevoli sono le misure del fattore di modifica nucleare (RAA) per le particelle con charm aperto (D0, D+, D*+) e chiuso (J/ψ).

Tale fattore quantifica il deficit nella produzione di queste particelle in collisioni Pb-Pb rispetto a quanto atteso scalando quelle misurate in interazioni p-p in base al numero di collisioni binarie nucleone-nucleone. Il fattore RAA dei mesoni D (Fig. 5) è sensibile alla dipendenza dalla carica di colore della perdita di energia dei partoni (quark o gluoni) attraverso la materia deconfinata, mentre la dipendenza dalla centralità della collisione del fattore RAA della J/ψ, molto meno pronunciata che a energia più bassa (Fig. 6), potrebbe segnalare la preponderanza, alle energie di LHC, di fenomeni di rigenerazione di J/ψ per ricombinazione di coppie c-cbar non originanti dallo stesso vertice di interazione.

Fig. 5

 

 

Fig. 6

La misura dell’asimmetria azimutale (v2) nella produzione di queste particelle dovrebbe permettere di vincolare ulteriormenti i modelli teorici. Vale anche la pena menzionare l’estrazione, in collisioni Pb-Pb, dei segnali di decadimento del raro mesone charmato-strano Ds(Fig. 7), il cui studio dovrebbe fornire informazioni preziose sui meccanismi di adronizzazione del mezzo deconfinato.

 

Fig. 7

Per quanto riguarda lo studio delle interazioni p-p, si segnala la misura della polarizzazione della J/ψ, la prima effettuata ad LHC), che indica come favoriti i modelli basati sulla Cromo-Dinamica Quantistica Non-Relativistica (NRQCD).

Nel periodo 2012-2013 si sono completate e arricchite le analisi dei dati Pb-Pb e p-p già raccolti. Il contributo dello stato iniziale e finale nelle misure Pb-Pb è stato studiato in base ai dati raccolti durante la presa dati dedicata a collisioni p-Pb, che ha concluso la prima lunga campagna di misure con LHC prima della chiusura citata, fino al 2014.

Tra le importanti linee di fisica condotte da ALICE c'è anche quella sullo studio degli ipernuclei leggeri, con la  ricerca di stati esotici strani (Λ-p e Λ-Λ) e di ipernuclei e anti-ipernuclei prodotti  in urti Pb-Pb. Il gruppo di Trieste è leader su questa linea e ne propone anche lo sviluppo in vista dell'upgrade di ALICE.

Proprio in vista dei futuri ulteriori upgrade dell'accertare LHC, che condurranno a fasci di molto maggiore intensità e alle energie nominali di progetto, anche ALICE ha infatti previsto un ampio e articolato programma di upgrade, allo scopo di poter sfruttare appieno le future caratteristiche dei fasci di ioni e protoni di LHC. I rivelatori dell'apparato maggiormente coinvolti sono ITS, che verrà completamente ridisegnato e rifatto, la TPC che verrà profondamente rinnovata, lo spettrometro per muoni, che verrà arricchito di una parte di tracciamento ad alti valori di pseudorapidità. Soprattutto si interverrà sull'elettronica e sui sistemi di lettura, per permettere di reggere le alte frequenze di interazioni che saranno associate alle accresciute luminosità con i nuovi e più intensi fasci di ioni e protoni. I ricercatori Italiani e anche il gruppo di Trieste, sono fortemente coinvolti soprattutto nella fase di upgrade del futuro ITS e nella proposizione delle nuove linee di fisica esplorabili.

ALICE è una Collaborazione che pubblica con continuità: 56 articoli di fisica pubblicati dall'inizio del funzionamento di LHC, altri 6 in corso di pubblicazione e 12 in corso di sottomissione a riviste durante il 2013, oltre a numerose analisi in corso che sfoceranno in lavori pubblicabili nel corso dei prossimi mesi. Gli articoli mostrano altissimi indici di citazioni, e ciò testimonia l'originalità, la qualità e l'interesse stimolato  nella comunità scientifica.

Responsabile del gruppo di ricerca
Responsabile: 
Giacomo Vito Margagliotti

Info

Ultimo aggiornamento: 17-11-2017 - 18:50