L’esperimento

L'obiettivo dell'esperimento COMPASS è lo studio della struttura partonica dei nucleoni e dello spettro adronico. Sono entrambi capitoli importanti di QCD, la teoria delle interazioni forti, che, nonostante i numerosissimi successi, ancora non descrive in modo soddisfacente fenomeni noti. In particolare, a cinquanta 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, nella quale il gruppo di Trieste ha avuto ed ha un ruolo molto importante dalla proposta delle misure all’interpretazione dei risultati sperimentali.

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 fasci secondari di alta intensità di adroni e muoni di alta energia (160-190GeV) sono utilizzati per studiare rispettivamente la spettroscopia adronica e la struttura dei nucleoni. L’apparato sperimentale consiste in uno spettrometro lungo 40 m, equipaggiato con rivelatori di particelle di ultima generazione e calorimetri adronici ed elettromagnetici e un RICH per l’identificazione delle particelle, ed è stato progettato in modo da garantire una grande accettanza angolare e sostenere un’alta rate di eventi. I bersagli (tipicamente lunghi più di un metro) e parti dello spettrometro posso inoltre essere facilmente sostituiti da un anno all’altro di presa dati, in base alle diverse misure. Dall’inizio della presa dati (nel 2002) ad oggi sono stati utilizzati bersagli polarizzati di protoni e deutoni, bersagli di idrogeno liquido e bersagli nucleari, fasci di muoni, di pioni e di protoni, e sono stati effettuati numerosi e importanti upgrade dell’apparato sperimentale.

Uno degli obiettivi più importanti di COMPASS per la spettroscopia adronica è la ricerca di stati esotici che sono previsti da QCD la cui esistenza non è stata ancora dimostrata. COMPASS ha già pubblicato diversi risultati usando la grande quantità di dati raccolti nel 2008 e 2009. L’analisi dei dati raccolti, che comporta anche complesse analisi in onde parziali con più di 50 parametri liberi, è ancora in corso e produrrà ulteriori importanti risultati sull’esistenza o meno di stati esotici. Altro obiettivo di COMPASS è la misura della polarizzabilità dei pioni e dei kaoni, per verificare le previsioni della teoria chirale, il limite alle basse energie della QCD . Ai risultati pubblicati nel 2015, si aggiungeranno presto le misure dai dati raccolti nel 2012.

Lo studio della struttura di spin dei nucleoni, che è stato ed è un punto caratterizzante dell’esperimento, si inserisce in una linea di ricerca che include numerosi esperimenti in altri laboratori (da HERMES a DESY, agli esperimenti a JLab e BNL, a FNAL, e al futuro EIC) ed un’intensa .attività teorica.

Una delle prime misure a COMPASS è stata 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 ed ha avuto la priorità nei primi anni di presa dati. Misurando l’asimmetria di spin nella produzione di “open charm” e di adroni con alto momento trasverso 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, rafforzando la spinta per la misura di DVCS (Deeply Virtual Compton Scattering), eseguita a COMPASS negli anni 2016 e 2017 con bersaglio di idrogeno non polarizzato e fascio di muoni dal 160 GeV, e in programma a JLab12 e EIC.

In parallelo e successivamente a queste misure, COMPASS ha misurato i processi SIDIS (lepton-nucleon Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering),  particolarmente indicati, per la semplicità dell’interazione, alla determinazione delle PDF (distribuzioni partoniche).
I dati raccolti con bersagli polarizzati longitudinalmente hanno permesso ulteriori più precise misure della funzione di struttura , e quindi la verifica della regola di somma di Bjorken, e delle PDF di elicità.
Completamente nuove e pioneristiche sono le misure di SIDIS su bersagli polarizzati trasversalmente, iniziate in parallelo a COMPASS e HERMES. Tali misure hanno permesso di stabilire come gli effetti di spin trasverso persistano ad alta energia, contrariamente alle previsioni di QCD collineare, e come possano essere spiegati in modo estremamente lineare nel nuovo framework teorico basato sulla QCD, utilizzando pochi elementi: la trasversità (la PDF di spin trasverso), la dipendenza della frammentazione dallo spin trasverso dei quark (l’effetto Collins), le correlazioni tra spin trasverso del nucleone e dei quark e tra spin e momento trasversi dei partoni (descritti dalle TMD PDF).
L’importanza di questi studi e dei risultati ottenuti è  ampiamente riconosciuta e ha da un lato motivato la misura di SIDIS con protoni non polarizzati in parallelo alla misura di DVCS nel 2016-17, dall’altro la misura del processo complementare di Drell-Yan  con fascio di pioni e bersaglio di protoni polarizzati trasversalmente eseguita per la prima volta a COMPASS nel 2015 e nel 2018.

Infine, per il 2021 (anno successivo al LS3 del CERN) è stato approvato un anno di presa dati con bersaglio di deuterio polarizzato trasversalmente per completare questo programma sperimentale di COMPASS.
Si tratta di naturalmente di prime misure, che verranno eseguite con maggiore precisione in futuri esperimenti (a JLab12, EIC, a LH(e)C, a FNAL), e che già costituiscono il punto di partenza per l’interpretazione delle misure in processi diversi e più complesse anche dal punto di vista teorico, come nell’interazione protone-protone studiata anche a BNL.

Per il futuro più lontano, la Collaborazione COMPASS è promotrice di nuove misure. Una di queste è la misura del raggio del protone tramite scattering elastico muove-protone (una misura di un anno, proposta per il 2022), mentre una serie di misure per lo studio della struttura degli adroni e della spettroscopia è proposta su tempi più lunghi.

L'attività del gruppo di Trieste

Il gruppo di Trieste è costituito da circa venti ricercatori afferenti al Dipartimento di Fisica, alla Sezione INFN di Trieste e all’ICTP. L’attività del gruppo, ben inserita all’interno della Collaborazione, si è sempre concentrata su diversi aspetti dell’esperimento: lo sviluppo e la costruzione di rivelatori di nuova generazione, in particolare per il rivelatore RICH; il sistema di acquisizione e processatura dei dati e la loro analisi dei dati, con sviluppo di metodi nuovi di analisi; l'interpretazione fenomenologica dei risultati, anche con sviluppo di programmi di Monte Carlo basati su modelli teorici; le proposte di nuove misure. Sono anche in corso collaborazioni personali a livello internazionale con fisici di altri esperimenti e con fisici teorici esperti del settore.
La Collaborazione COMPASS è, nel contesto attuale, una collaborazione di piccole dimensioni nella quale le interazioni con gli altri gruppi sperimentali costituiscono la prassi.  L’esperimento è in continua evoluzione, e le misure vengono eseguite in un arco temporale limitato. Questo permette di seguire e contribuire a tutte le fasi delle misure, pur occupandosi principalmente degli aspetti di specifico interesse personale, come hardware, analisi dati, fenomenologia. COMPASS è quindi un esperimento che offre un qualificante percorso formativo anche nell'ambito di lavori di tesi (triennali, magistrali, di dottorato) e di tirocinio.