Struttura di Spin del Nucleone: COMPASS al CERN

L'obiettivo dell'esperimento COMPASS è lo studio della struttura dei nucleoni e dello spettro adronico. Sono entrembe tematiche di QCD non perturbativa che ancora non descrive in modo soddisfacente tutti i fenomeni noti. In particolare, a più di quarant'anni dalla formulazione del modello a quark,  domande fondamentali del tipo: “come si spiega la struttura di spin dei nucleoni in termini di quark e gluoni?”, oppure “esistono stati esotici, cioè barioni non costituiti da tre quark, o mesoni che non siano una coppia quark-antiquark?” non hanno ancora risposta.

COMPASS (COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) è un esperimento a bersaglio fisso realizzato al CERN da una Collaborazione internazionale costituita da circa 250 fisici appartenenti a 31 istituti di 11 diversi paesi. Sfruttando la grande luminosità del SPS, la macchina che accelera protoni fino a energie di 450 GeV, che permette di utilizzare fasci secondari di  diversi tipi di particelle, COMPASS è in grado di eseguire un vasto programma di fisica caratterizzato da misure di elevata precisone statistica. In particolare asci di alta intensità di adroni e muoni sono utilizzati per  studiare rispettivamente la spettroscopia adronica e la struttura di spin dei nucleoni.

Uno degli obiettivi più importanti di COMPASS per la spettroscopia adronica è la ricerca di stati esotici che sono previsti da QCD ma la cui esistenza non è stata ancora dimostrata. COMPASS ha già pubblicato l’evidenza sperimentale per uno stato esotico con numeri quantici JPC= 1-+e massa 1.66 GeV/c2.. L’analisi della grande quantità di dati raccolti finora è ancora in corso e i risultati permetteranno sicuramente di trarre conclusioni sull’esistenza o meno di questi stati.

Altro obiettivo di COMPASS e' la misura diversa, la polarizzabilità dei pioni e dei kaoni, per verificare le previsioni della teoria chirale che è il limite alle basse energie della QCD . Molto recentemente sono stati pubblicati su Phys. Rev. Lett. i risultati sulla polarizzabilita' del pione. Per la sua importanza a questa misura e' stato dedicato l'11/2/2015 un comunicato stampa ufficile del CERN, "CERN experiment brings precision to a cornerstone of particle physics", in cui il Direttore Generale Rolf Heuer sottolinea anche come questo risultato testimoni la diversita' e la forza del programma di ricerca del CERN. 

Per quanto riguarda la struttura di spin dei nucleoni, un obiettivo molto importante dell’esperimento era la misura diretta della polarizzazione dei gluoni in un nucleone polarizzato longitudinalmente. Dopo la scoperta fondamentale dell’esperimento EMC che i quark contribuivano poco allo spin di un nucleone, confermata da diversi esperimenti negli anni ’90, tale misura era considerata estremamente importante.  Utilizzando i dati raccolti già nel 2002 con un fascio di muoni di 160 GeV e un bersaglio di deutoni polarizzati longitudinalmente, COMPASS è stato il primo esperimento a fornire l’evidenza che il contributo dei gluoni è decisamente piccolo, insufficiente a coprire la parte mancante di momento angolare intrinseco del nucleone. In parallelo e successivamente a queste misure COMPASS ha anche misurato i processi SIDIS con i bersagli polarizzati, che permettono di ottenere le distribuzioni dipendenti dallo spin dei quark dei diversi sapori confrontando le asimmetrie di spin misurate su protoni e su deutoni ed identificando gli adroni dello stato finale. Tale identificazione è basata in COMPASS su un RICH, contatore Cerenkov a focalizzazione di immagine, progettato e costruito dal gruppo di Trieste che è anche responsabile del suo funzionamento. Di particolare importanza è lo studio della distribuzione partonica di spin trasverso, la “trasversità”, la cui rilevanza è stata riconosciuta solo recentemente. Le misure di SIDIS su bersagli di deuterio e di protoni polarizzati trasversalmente effettuate da COMPASS negli anni 2002, 2003, 2004, 2007 e 2010, assieme a quelle effettuate da HERMES e dalla collaborazione Belle, hanno mostrato come la trasversità sia diversa da zero e misurabile nei processi SIDIS. Utilizzando gli stessi dati, COMPASS ha anche misurato effetti di spin trasverso diversi, spiegabili in termini di nuove distribuzioni partoniche dipendenti dal momento trasverso intrinseco (TMD), come la funzione di Sivers.

Dopo lo spegnimento degli acceleratori del CERN del 2013, COMPASS ha gia iniziato la presa dati per effettuare, nel 2015-2017, due nuove misure, sempre nei settori della struttura di spin longitudinale e trasverso del nucleone:
1. la misura del processo Drell-Yan nell’interazione pione – protone polarizzato trasversalmente (2015). Con questa misura sarà possibile effettuare il test di una previsione molto importante di QCD, e cioè che una distribuzione partonica T-odd, come la funzione di Sivers, interviene con segno opposto quando è misurata nei processi Drell-Yan  rispetto a quando è misurata nel SIDIS per effetto delle interazioni di stato iniziale / finale.
2. la misura delle distribuzioni partoniche generalizzate (GPD) tramite diffusioni Compton profondamente virtuali di muoni su idrogeno liquido (2016 e 2017). Questa reazione permette di ottenere informazioni sul momento angolare orbitale dei quark, la quantità ancora non misurata nella decomposizione dello spin del nucleone. In parallelo verranno anche esguite misure di precisione di SIDIS su protone.

L'attivita' del gruppo di Trieste su COMPASS e' relativa a diversi settori dell'esperimento: dallo sviluppo e costruzione di rivelatori, alla processatura e analisi dei dati, all'interpretazione dei risultati, e a proposte per nuove misure. Queste ultime attivita' sono svolte in collaborazione con fisici teorici anche grazie ai progetti PRIN. Diversi dei partecipanti hanno importanti ruoli di responsabilita' all'interno della Collaborazione (in particolare Andrea Bressan e' attualmente co-spokesperson dell'esperimento) e la loro attivita' e' apprezzata a livello internazionale.

Responsabile del gruppo di ricerca
Responsabile: 
Anna Martin

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