Fisica Nucleare e Subnucleare
FISICA DELLE PARTICELLE AGLI ACCELERATORI
Il "Compact Muon Solenoid" (CMS) è un esperimento del "Large Hadron Collider" (LHC) del CERN di Ginevra. L'apparato di rivelatori di CMS è ottimizzato per studiare la fenomenologia delle collisioni tra protoni ad alta energia prodotte da LHC, effettuando la misura di numerosi processi previsti dalla teoria del Modello Standard e ricercando fenomeni nuovi. Nel 2012 CMS ha annunciato la scoperta del bosone di Higgs e ha iniziato un ampio programma di misure delle proprietà di questa particella.
Il gruppo di Firenze è coinvolto con ruoli di punta sia nell'analisi dei dati raccolti nell'esperimento, sia nella progettazione e manutenzione dei rivelatori. In particolare i ricercatori di CMS Firenze studiano le proprietà del bosone di Higgs tramite decadimenti in coppie di bosoni W per mezzo di reti neurali e tecniche di machine learning e contribuiscono allo sviluppo di un nuovo rivelatore all'avanguardia a pixel di silicio. Questo rivelatore sarà installato tra pochi anni per potenziare CMS in vista della fase ad "alta luminosità" di LHC (HL-LHC), che renderà possibile la ricerca di nuovi processi fondamentali e il miglioramento delle misure di precisione relative al bosone di Higgs.
Referente: Giacomo Sguazzoni (at) fi infn it
Sito Web: https://cms.cern/
L'esperimento LHCb è principalmente dedicato allo studio di adroni contenenti quark "pesanti" beauty e charm, i cui decadimenti permettono di misurare con grande precisione alcuni dei parametri del Modello Standard. In particolare, vengono investigate le piccole asimmetrie fra i decadimenti di materia e antimateria (un fenomeno noto come violazione di CP), molto sensibili a possibili contributi di particelle ancora sconosciute. Negli anni 2000 il gruppo di LHCb a Firenze ha contribuito alla costruzione dell'esperimento progettando e realizzando nei laboratori di Sesto Fiorentino camere a multifili per il rivelatore di muoni. Oggi i ricercatori sono impegnati prevalentemente nell'analisi dei dati, raccolti fra il 2010 e il 2018, e nella preparazione dell'upgrade dell'esperimento che è in corso di realizzazione e inizierà la presa dati nel 2022.
Le attività di analisi si concentrano sulla ricerca indiretta di nuova fisica nei decadimenti rari (in particolare dei mesoni K) e soprattutto su misure di fisica adronica. Gli studi condotti a Firenze hanno portato nel 2020 alla scoperta di un nuova particella di tipo tetraquark, ovvero costituito da quattro quark, in questo caso presumibilmente da due coppie di quark charm-anticharm. Questo primo stato tetraquark composto interamente da quark pesanti potrà fornire un importante banco di prova per la teoria delle interazioni forti, responsabile della formazione degli adroni e dei nuclei atomici. Il gruppo ha anche un ruolo di leadership nello sviluppo di un programma di studio di collisioni fra i protoni accelerati da LHC e nuclei a riposo di elio, ottenute iniettando gas a bassissima pressione nel vuoto di LHC. Queste collisioni riproducono le interazioni che avvengono quando raggi cosmici di alta energia (per lo più protoni) interagiscono col mezzo interstellare (per lo più idrogeno ed elio). La misura di produzione di antimateria in queste collisioni è di grande rilevanza per gli esperimenti che stanno misurando nello spazio la componente di antimateria nei raggi cosmici, alla ricerca di possibili tracce della materia oscura nell'Universo.
Nel 2017 il fisico Giovanni Passaleva, dirigente di ricerca dell'INFN Firenze, è stato eletto spokesperson dell'esperimento LHCb.
Referente: Lucio Anderlini (at) fi infn it
Sito Web: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public
NA62
È un esperimento a bersaglio fisso su una linea di fascio estratto dell'acceleratore SPS del CERN; è dedicato allo studio dei mesoni K e in particolare a un loro decadimento super-raro, in un pione e due neutrini, la cui probabilità è estremamente sensibile al contributo virtuale di nuove particelle non ancora conosciute. Nei decadimenti dei mesoni K è inoltre possibile cercare direttamente la produzione di particelle di cosiddetta materia oscura, che permetterebbero di spiegare l'espansione dell'universo. NA62 ha preso dati nel 2016, 2017 e 2018; dopo una pausa di due anni prenderà di nuovo dati dall'estate del 2021.
Il gruppo di Firenze ha costruito uno dei rivelatori principali dell'esperimento, il RICH, basato sull'effetto Cherenkov, per distinguere pioni e muoni; il gruppo di Firenze si occupa quindi del funzionamento di questo rivelatore, dei suoi circa duemila fotomoltiplicatori e dell'elettronica associata, dell'allineamento degli specchi per raccogliere la luce Cherenkov e del trigger dell'esperimento. Il gruppo di Firenze si occupa inoltre dell'analisi dei dati raccolti da NA62, sia per il decadimento super-raro citato sopra, sia per la ricerca della materia oscura. Del gruppo di Firenze fa parte il deputy spokesperson di NA62.
Referente: Francesca Bucci (at) fi infn it
Sito Web: https://na62.web.cern.ch/Home/Home.html
L'esperimento LHC-forward (LHCf) è situato al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. È composto da due rivelatori indipendenti, posizionati lungo l'asse dei fasci collidenti, a 140 metri dal punto di interazione di ATLAS, in direzioni opposte. Questa particolare posizione permette a LHCf di misurare la produzione di particelle neutre di alta energia emesse a piccoli angoli rispetto alla direzione del fascio, come fotoni, neutroni e pioni neutri.
Lo scopo scientifico di LHCf è di fornire misure fondamentali al perfezionamento dei modelli di interazione adronica utilizzati nelle simulazioni dell'interazione dei raggi cosmici di alta energia con l'atmosfera (che producono i cosiddetti "sciami atmosferici" di particelle secondarie). Le previsioni dei diversi modelli evidenziano tra loro significative discrepanze, in particolare nella regione a piccoli angoli dove si concentra la maggior parte del flusso di energia degli sciami atmosferici. I dati sperimentali di LHCf, acquisiti alla più alta energia disponibile a un acceleratore, forniscono un'opportunità unica per la calibrazione dei modelli di interazione adronica. Questo consente di ridurre l'incertezza sulle misure dei raggi cosmici di altissima energia, possibili solo attraverso l'osservazione degli sciami atmosferici da loro prodotti.
La componente fiorentina dell'esperimento LHCf è predominante e ha avuto un ruolo determinante nella progettazione del rivelatore, nella preparazione e nello svolgimento della presa dati e all'analisi dei risultati sperimentali. In previsione delle operazioni in collisioni protone-protone a 14 TeV a LHC è in corso a Firenze lo sviluppo di una nuova elettronica di lettura dei rivelatori a microstrisce di silicio. In parallelo, continua il lavoro di analisi dei dati acquisiti in collisioni protone-protone a 13 TeV e protone-piombo a 8.16 TeV.
Referente: Lorenzo Bonechi (at) fi infn it
Sito Web: http://hep.fi.infn.it/LHCf
FISICA DELLE ASTROPARTICELLE
Radiazione cosmica
L'esperimento CALET (CALorimetric Electron Telescope) è il frutto di una collaborazione internazionale che coinvolge diversi istituti di ricerca in Italia, Giappone e Stati Uniti. Il rivelatore consiste in uno strumento dedicato alla misura diretta dei raggi cosmici, installato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale il 19 Agosto del 2015 e tuttora operante. L'esperimento è stato accuratamente realizzato sfruttando le tecniche di calorimetria di alta energia, in maniera tale che per ogni particella incidente sia possibile ricostruire l’energia, la direzione e la natura della particella stessa (elettrone, protone, fotone, …).
L'obiettivo principale dell'esperimento è la misura del flusso di elettroni e positroni fino ad un'energia di qualche TeV, allo scopo di migliorare la nostra conoscenza dei modelli di accelerazione e propagazione dei raggi cosmici. In particolare, l'estensione della misura ad energie così elevate è fondamentale per determinare il contributo al flusso dovuto ad oggetti astrofisici locali, quale la supernova remnant nella costellazione Vela, e l'eventuale contributo legato a sorgenti non ordinarie, dovuto ad esempio all'annichilazione di materia oscura. Oltre ad elettroni e positroni, lo strumento è in grado di fornire misure accurate dei flussi di protoni e nuclei di alta energia, altrettanto indispensabili per la comprensione dell'origine dei raggi cosmici, e della componente gamma, anche grazie all'impiego del rivelatore ausiliario CGBM (CALET Gamma-Ray Burst Monitor). Le caratteristiche tecniche e le prestazioni dello strumento ne consentono inoltre l'impiego all'interno di una rete internazionale di esperimenti per compiere osservazioni di astronomia multi-messaggera.
Il gruppo di ricerca di Firenze è uno dei due gruppi coinvolti nell'analisi relativa all'obiettivo scientifico principale dell'esperimento: la misura del flusso di elettroni e positroni. A questo scopo, si è sviluppata ed è in continuo miglioramento una strategia di analisi che, sfruttando al massimo le prestazioni dell'esperimento e la statistica a disposizione, consenta di estendere la misura fino ad un'energia di qualche TeV. Alla misura del flusso si è recentemente affiancata quella dell'anisotropia, con l'obiettivo di fornire maggiori informazioni sul contributo ad alte energie dovuto a sorgenti locali.
Referente: Oscar Adriani (at) unifi it
Sito Web: http://calet.pi.infn.it/
L'esperimento HERD (High Energy Cosmic Radiation Detection) è frutto di una collaborazione internazionale che coinvolge diversi istituti di ricerca, in Cina, Italia, Svizzera e Spagna. Il rivelatore effettuerà misure dirette di raggi cosmici e gamma di alta energia a bordo della Stazione Spaziale Cinese, attualmente in costruzione. L'esperimento è stato realizzato sfruttando una tecnica innovativa di calorimetria di alta energia, sviluppata a Firenze in collaborazione con altri istituti italiani, che consentirà di estendere la misura diretta ad energie più elevate di quelle attualmente raggiunte.
L'obiettivo principale dell'esperimento è quello di misurare il flusso della componente nucleare dei raggi cosmici fino ad un'energia di qualche PeV. A queste energie infatti il flusso totale dei raggi cosmici subisce una significativa attenuazione, che si ritiene rappresenti il limite energetico delle sorgenti galattiche. Un’accurata misura diretta dello spettro energetico dei singoli elementi, mai condotta fino ad oggi, rappresenta un passo essenziale per la comprensione dei meccanismi di accelerazione e propagazione in atto all’interno della nostra Galassia. L’esperimento effettuerà inoltre misure accurate del flusso di elettroni e raggi gamma, fornendo dati che potranno potenzialmente mettere in evidenza contributi provenienti da nuove sorgenti di natura astrofisica ordinaria e non, come ad esempio la materia oscura.
Il gruppo fiorentino è attivamente coinvolto nella progettazione del calorimetro e nello sviluppo del codice di simulazione e analisi dei dati.
Referente: Nicola Mori (at) fi infn it
L'esperimento GAPS (General Anti-Particle Spectrometer), frutto di una collaborazione tra Stati Uniti, Italia e Giappone, è stato ideato per lo studio di processi fisici di produzione di antiparticelle (antiprotoni, antideuterio e antielio) nei raggi cosmici, con lo scopo di mettere in evidenza possibili segnature della presenza di materia oscura confinata nell’alone galattico. La tecnica di rivelazione è innovativa e si basa sulla cattura dell'antiparticella di bassa energia nel campo elettrico del nucleo, che porta alla formazione di un atomo esotico in uno stato eccitato. Quando l'atomo si diseccita, emette un fotone nello spettro dei raggi X. Poco dopo l'emissione, a seguito dell'annichilazione della particella di antimateria con la materia di cui è costituito il rivelatore, si misura il deposito energetico di pioni e protoni prodotti nel meccanismo di annichilazione.
Il progetto è stato approvato dalla NASA per un primo volo su pallone in Antartide previsto per l'estate australe 2022/2023. Il gruppo di Firenze è responsabile dello sviluppo del codice di ricostruzione dell’esperimento ed è attivamente impegnato nell’attività di simulazione ed analisi dati.
Referente: Elena Vannuccini (at) fi infn it
Sito Web: http://gamma0.astro.ucla.edu/gaps/
ADAMO è uno spettrometro magnetico nato come prototipo dello spettrometro dell'esperimento PAMELA. L'esperimento PAMELA, che si è ufficialmente concluso nel 2017, era progettato con lo scopo specifico di effettuare misure accurate della componente di antimateria nei raggi cosmici ad alta energia; a tale scopo, era dotato di uno spettrometro magnetico costituito da un magnete permanente e da rivelatori a microstrisce di silicio di ultima generazione. PAMELA ha condotto misure dello spettro di antiprotoni e positroni nei raggi cosmici, che hanno portato alla scoperta di un eccesso di positroni la cui origine non è stata ancora chiarita.
ADAMO, che impiega la stessa tecnologia di PAMELA ma in scala ridotta, è ancora operativo ed è in grado di effettuare misure precise del flusso di muoni atmosferici a terra con impulso tra 0.1 GeV/c e 150 GeV/c. L'apparato può essere facilmente ruotato per effettuare misure a diversi angoli zenitali: ciò è particolarmente importante sia per avere uno spettro di riferimento per diverse applicazioni (come ad esempio la tecnica della radiografia muonica), sia per confrontare i dati con le previsioni delle simulazioni degli "sciami atmosferici" indotti dall'interazione di un raggio cosmico con l'atmosfera terrestre. Inoltre il flusso di muoni in atmosfera è strettamente legato al flusso di neutrini muonici, dato che i muoni sono principalmente prodotti dai decadimenti dei pioni carichi.
ADAMO è inoltre usato dagli studenti del corso di laurea magistrale in Scienze fisiche e astrofisiche nelle sessioni di laboratorio del corso di Laboratorio Nucleare-Subnucleare II.
Referente: Lorenzo Bonechi (at) fi infn it
Sito Web: http://hep.fi.infn.it/ADAMO
Onde gravitazionali, fisica generale e quantistica
LISA (Laser Interferometer Space Antenna) è il primo interferometro spaziale dell'ESA finalizzato alla rivelazione di onde gravitazionali fra 10-4 e 10-1 Hz, una banda proibita per gli interferometri terrestri. La missione consiste di tre satelliti in formazione di triangolo equilatero di 2.5 milioni di km di lato. I lati del triangolo costituiscono altresì i bracci dell'interferometro. La costellazione di satelliti orbiterà sull'eclittica a 50 milioni di km dalla Terra. LISA consentirà di aprire una finestra sull’Universo gravitazionale in aggiunta a quello elettromagnetico. La missione ha come principali obiettivi scientifici lo studio di sistemi binari compatti e la fusione di buchi neri supermassicci.
La missione LISA Pathfinder, costituita da un unico satellite posto in orbita intorno al primo punto lagrangiano fra il 2016 e il 2017, ha consentito di effettuare il test della strumentazione che verrà posta a bordo di LISA. Il successo della missione LISA Pathfinder, ben oltre le aspettative, ha consentito di studiare il rumore residuo fra due masse di prova in caduta libera che costituivano gli specchi dell'interferometro a 1.5 milioni di km dalla Terra.
Referente: Catia Grimani (at) uniurb.it
Sito Web: https://www.elisascience.org/
VIRGO
Advanced Virgo è un interferometro terrestre con un braccio di tre chilometri, sviluppato per rivelare onde gravitazionali; lo strumento è inserito in una rete globale di interferometri che include gli interferometri LIGO negli Stati Uniti, che per primi hanno rivelato onde gravitazionali nel 2016, e l’interferometro giapponese KAGRA. Situato a Cascina (PI) nel sito dell'Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO), esso ha rivelato, insieme agli interferometri LIGO, onde gravitazionali provenienti da sistemi binari di buchi neri e stelle di neutroni.
Le onde gravitazionali ci forniscono un mezzo alternativo rispetto alle onde elettromagnetiche e, in alcuni casi, unico per lo studio di questi fenomeni astrofisici, e ci aiutano nella comprensione della gravità. Sempre più segnali di onde gravitazionali saranno chiaramente rilevati nei prossimi anni dalla generazione avanzata di osservatori gravitazionali come Advanced Virgo e Advanced LIGO, aprendo una nuova era nello studio del cosmo.
Il gruppo Virgo di Firenze-Urbino persegue il miglioramento della sensibilità degli strumenti interferometrici per la rivelazione delle onde gravitazionali, attraverso la riduzione del rumore generato negli strati riflettenti degli specchi, il miglioramento e la caratterizzazione delle fibre utilizzate per sospenderli, e lo sviluppo e l’applicazione di nuovi metodi per l’analisi dati.
Referente: Massimo Lenti (massimo.lenti (at) unifi.it)
Sito Web: http://public.virgo-gw.eu; virgo.uniurb.it
Fasci di molecole stabili e fredde sono interrogate spettroscopicamente da laser infrarossi riferiti allo standard primario di Cesio, allo scopo di esplorare la fisica oltre il Modello Standard. Tramite misure spettroscopiche ultraprecise, si cercano variazioni delle costanti fondamentali (rapporto tra massa del protone e dell'elettrone) ed effetti di violazione della parità nelle molecole.
Referente: Simone Borri (at) fi infn it
Sito Web: https://web.infn.it/supremo/
FISICA NUCLEARE
I ricercatori fiorentini sono impegnati in collaborazioni nazionali e internazionali in ricerche tendenti alla caratterizzazione di nuclei esotici, alla dinamica delle reazioni nucleari in prospettiva della costruzione dell'acceleratore SPES (Selective Production of Exotic Species) presso i LNL, e allo studio dei livelli eccitati popolati tramite reazioni di fusione-evaporazione, attraverso misure di spettroscopia gamma e di elettroni di conversione.
Maggiori dettagli sono disponibili a questo indirizzo.
RICERCA TECNOLOGICA E APPLICATA
Ultimo aggiornamento
26.08.2021