Esperimento CMS

    L’obiettivo dell’esperimento, che si avvale del rivelatore CMS (Compact Muon Solenoid detector), è quello di esplorare un vasto settore fenomenologico del mondo delle particelle elementari e far progredire la conoscenza delle leggi fondamentali che descrivono il nostro universo fisico. I ricercatori della collaborazione CMS che, congiuntamente ai colleghi dell’esperimento ATLAS, hanno scoperto nel 2012 il bosone di Higgs, oltre a studiare in dettaglio la fenomenologia di questa nuova particella si propongono di sottoporre a verifiche sempre piu` stringenti le previsioni del Modello Standard (MS), la teoria che al momento meglio descrive il mondo subnucleare.

Evento candidato Higgs –> 4 muoni

    Altri campi d’indagine prioritari dell’esperimento sono la ricerca dell’esistenza di fenomeni non predetti dal MS (eventualmente predetti da nuove teorie, per es. Supersimmetria, teoria delle Stringhe, teorie di Grande Unificazione), l’identificazione dei costituenti di quella che viene chiamata “materia oscura”, la ricerca di eventuali dimensioni extra dello spazio e, non ultimo, la ricerca di segnali inequivocabili della formazione di Quark-Gluon plasma, un nuovo stato della materia.

I 4 esperimenti principali a LHC

    CMS e` uno dei piu` grandi e complessi rivelatori di particelle esistenti. E`collocato nel punto 5 del collisionatore LHC (Large Hadron Collider) del CERN ad una profondita` di circa 100 m, in una caverna scavata nella campagna nei pressi della cittadina francese di Cessy, a pochi chilometri da Ginevra. CMS ha una forma cilindrica, con una lunghezza 21 metri e 15 m di diametro, ha un peso di circa 14.000 tonnellate. Lungo il suo asse passa un tubo a vuoto del diametro di pochi cm nel quale circolano, in sensi opposti, i protoni accelerati da LHC. Queste particelle sono concentrate in “pacchetti” che vengono fatti collidere nel centro del rivelatore ad energie nel centro di massa fino a 14 TeV. Oltre ai protoni, LHC e` in grado di accelerare ad altissime energie anche pacchetti di ioni Pb. Il cuore del rivelatore e` costituito da un grande magnete cilindrico superconduttore in grado di generare un campo magnetico solenoidale di 3.8 tesla, circa 100000 volte piu` intenso di quello terrestre. Al suo interno, disposti in strati concentrici successivi, sono collocati un “tracciatore” al silicio, un calorimetro elettromagnetico a cristalli scintillanti e un calorimetro adronico a campionamento, formato da strati alterni di ottone/acciaio e scintillatori plastici. All’esterno del magnete, inseriti fra i piani di acciaio che formano il “giogo” di ritorno delle linee di flusso del campo magnetico, si trovano i grandi rivelatori a gas che costituiscono il sistema di identificazione dei muoni.

Schema del rivelatore CMS

   Questi “sottorivelatori” sono indipendenti e sono stati progettati per fornire in tempo reale le informazioni digitalizzate che, dopo essere state registrate su supporti permanenti, vengono utilizzate da programmi software installati su potenti sistemi di calcolo elettronico consentendo di risalire all’energia e all’impulso posseduti dalle particelle create nelle collisioni (fotoni, elettroni, muoni, leptoni tau, adroni e bosoni vettori W e Z). I dati sono resi accessibili ai ricercatori per essere analizzati tramite la GRID, un sistema globale di risorse di calcolo e di storage interconnessi tra loro.

     Il rivelatore CMS e il software necessario all’esperimento sono stati progettati e realizzati dalla collaborazione omonima, al momento costituita da circa 4.000 persone fra ricercatori, ingegneri, tecnici e studenti, in rappresentanza di oltre 230 istituti scientifici di 50 paesi. 

Una parte della Collaborazione CMS

    Un gruppo di Bologna, attualmente composto da circa 35 persone fra fisici, tecnologi, tecnici e studenti di dottorato, fa parte della collaborazione CMS dal 1995. Dopo aver partecipato alla costruzione e all’installazione delle grandi camere a deriva (DT) del rivelatore centrale dei muoni, della progettazione del suo sistema di trigger e alla gestione del sistema durante la presa dati iniziata nel 2010, il gruppo partecipa ora al progetto di sviluppo e potenziamento (upgrade) del sistema di rivelazione dei muoni, sia della parte centrale (DT) che della parte in avanti (GEM). L’upgrade di tutto il rivelatore CMS è iniziato gradualmente alcuni anni fa e terminerà nel 2026,  con l’inizio della fase denominata High Luminosity LHC (HL-LHC), al termine della quale si prevede che l’esperimento abbia accumulato una statistica circa 20 volte maggiore di quella attualmente disponibile. Dal 2013 al 2019 il gruppo di Bologna ha partecipato alla costruzione e alla installazione di un monitor dell’alone del fascio di LHC. Il rivelatore, progettato per tollerare la radiazione che assorbirà durante tutta la fase di HL-LHC,  è entrato in funzione all’inizio del Run2.

Un’immagine del rivelatore CMS

     Il gruppo di Bologna è molto coinvolto anche nello sviluppo e nella gestione del software e dei sistemi di calcolo dell’esperimento. Attualmente sta studiando nuovi approcci, basati su tecniche di Machine Learning e di Deep Learning, per migliorare l’analisi dei dati e per sviluppare nuovi algoritmi di trigger e di ricostruzione.

     L’analisi fisica degli eventi è un’ attività di primaria importanza per il nostro gruppo. Nel settore della fisica dell’Higgs, collaboriamo con colleghi di altre istituzioni per studiare in dettaglio le proprietà della particella scoperta nel 2012 e per evidenziare l’esistenza di eventuali nuovi bosoni di Higgs, predetti in contesti teorici che vanno oltre il Modello Standard. Partecipiamo ad alcune analisi nei settori della fisica del quark top e del quark b, in particolare alla misura della massa del top e delle sezioni d’urto di produzione di coppie t-tbar a diverse energie. Infine, analizziamo dati di collisioni p-p cercando segnali di formazione di Quark Gluon Plasma, un nuovo stato della materia previsto dalla Cromodinamica Quantistica.

Responsabile locale INFN       Fabrizio Fabbri           fabrizio.fabbri@bo.infn.it      Tel.:   051 2095242

Sito web del gruppo di Bologna

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