3 grammi di piombo per studiare l'Universo

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 D. De Gruttola    29-11-2023     Leggi in PDF
Uno degli eventi registrati dall'esperimento ALICE durante la presa dati in collisioni Pb-Pb del Run3. (Crediti: CERN)

Con un'energia di 5,36 TeV per coppia di nucleoni, le collisioni tra nuclei di piombo fornite dal Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, in 35 giorni di presa dati del cosiddetto Run3 nell'autunno del 2023, sono quelle con energia più alta, mai raggiunta prima, e con un fattore 10 in più nel tasso di collisioni rispetto ai periodi di presa dati precedenti.

Fra i 4 principali esperimenti al collider LHC, ALICE è ottimizzato per studiare queste collisioni e indagare lo stato deconfinato della materia (Quark Gluon Plasma – QGP), che si ritiene sia esistito durante i primi milionesimi di secondo successivi al Big Bang, prima che quark e gluoni si legassero a formare gli adroni che compongono la materia ordinaria (confinata). ALICE ha registrato una quantità di dati superiore a quelli raccolti nei due precedenti Run1 e Run2, e ha ora la possibilità di raggiungere maggiori precisioni nelle misure e ampliare la comprensione dell'interazione forte e dell'evoluzione iniziale dell’Universo. Il successo delle operazioni è riconducibile all'enorme mole di lavoro svolto per aggiornare l'esperimento, durante il periodo di interruzione del "Long Shutdown 2" (LS2) che ha visto l’upgrade dell’acceleratore LHC e dei suoi 4 principali esperimenti: ALICE, ATLAS, CMS e LHCb.

ALICE utilizza ora una nuova modalità di acquisizione dati, detta "triggerless" o "continuous readout", che consiste nel registrare tutti gli eventi di collisione senza nessuna preselezione. Questa modalità, che permette una frequenza di presa dati fino a 100 volte maggiore (da 500 Hz a 50 kHz), ha stravolto la catena del software di acquisizione, che ha raggiunto complessità e prestazioni molto elevate. Il sistema include ora una prima ricostruzione delle tracce, sincrona con la presa dati, e un articolato monitoraggio della qualità dei dati, per un immediato riscontro sulla stabilità dei rivelatori. Inoltre, la precisione della ricostruzione delle tracce è aumentata grazie all'installazione di nuovi rilevatori e all'aggiornamento di quelli esistenti (per esempio, le nuove camere per il readout (GEM) della Time Projection Chamber (TPC), nuovi Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) per l'Inner Tracking System (ITS) e per il Muon Forward Tracker (MFT) e il nuovo readout per il Time Of Flight (TOF), che ha incrementato di un fattore 5 il precedente limite di 40 kHz nella frequenza di lettura).

Dopo aver preso dati, nel 2022 e 2023, con collisioni all'energia record di 13,6 TeV tra protoni, per le quali ALICE ha un ampio programma di fisica, l'esperimento ha potuto dunque raccogliere una grande mole di dati (circa 12 miliardi di collisioni, equivalenti a circa 1.6 nanobarn inversi in termini di luminosità).

L'intero processo inizia con un lingotto di Pb208, che viene prima sublimato e in seguito ionizzato per diventare un plasma, dal quale vengono estratti e accelerati i nuclei di Pb che collideranno nei 4 esperimenti. Il consumo è di circa 2 mg di piombo all'ora in condizioni di fasci stabili e di circa 650 mg alla settimana per le operazioni legate alla preparazione del fascio. Sono sufficienti, dunque, poco più di 3 g di piombo per completare un run di presa dati e permettere l'emozionante sfida per la comprensione dell'interazione forte, dell'evoluzione dell'Universo (ricreando in laboratorio un cosiddetto "Little Bang") e di diversi fenomeni astrofisici.


Daniele De Gruttola – Professore associato presso l'Università di Salerno, collabora con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dal 2004 svolge attività di ricerca nell'esperimento ALICE al Large Hadron Collider (LHC) presso il CERN di Ginevra e nel Progetto EEE. Dal 2023 fa parte dell'esperimento ePIC all’Electron Ion Collider (EIC) per la ricerca sulla fisica dei quark e gluoni ad alte energie.