Dove va l'energia

Misurare le energie delle particelle elementari ad alta energia offre una porta verso nuove scoperte nella fisica delle particelle.Sehwook Lee,John HauptmannERichard Wigmansdescrivere come i recenti sviluppi nel campo dei calorimetri stanno contribuendo a far avanzare il campo

I fisici delle particelle utilizzano calorimetri di un tipo o dell'altro da circa 70 anni. Il principio di base di questi strumenti da lavoro è semplice: l'idea è quella di misurare l'energia delle particelle elementari come elettrone, protone e neutrone, nonché di quelle prodotte artificialmente come pioni e kaoni, inviandole in un mezzo denso dove vengono interagire. Ogni interazione produce più particelle a energie inferiori, che interagiscono anche con il mezzo, e il processo continua finché l'energia della particella originale non è completamente esaurita. Intercalando il mezzo di interazione con rilevatori di rilevamento della carica e sommando i segnali registrati, possiamo ottenere una misura dell'energia totale della particella iniziale.

Nell’immagine sopra è mostrata una “doccia” di particelle indotta da un elettrone ad alta energia. Qui, le particelle cariche dello sciame (elettroni e antielettroni, o positroni) sono rese visibili attraverso una camera a nebbia: un tipo classico di calorimetro chiamato calorimetro a campionamento. Lo sviluppo di questi sciami di particelle è altamente casuale. Il numero di particelle generate nello sciame, N, è una misura diretta dell'energia, E, della particella iniziale. N segue una distribuzione di Poisson quindi le fluttuazioni casuali in N sono uguali a √N e, quindi, la precisione relativa in N, che è la risoluzione energetica, è √N/N. La risoluzione energetica è una formula semplice, σE/E ≈ k/√E. Questo calorimetro a camera a nebbia ha k ≈ 85% quando E è espresso in unità GeV (per riferimento, l'energia della massa a riposo di un protone è circa 1 GeV); per un moderno calorimetro a campionamento elettromagnetico, k è tipicamente pari al 10% o migliore.

Le energie degli elettroni sono facili da misurare nei calorimetri perché queste particelle interagiscono tramite la forza elettromagnetica, con solo due semplici interazioni consentite. Al contrario, le particelle soggette alla forza nucleare forte (come protoni, neutroni, pioni e kaoni – noti collettivamente come adroni) interagiscono attraverso una moltitudine di meccanismi ampiamente fluttuanti, con ulteriori complicazioni associate alla rottura dei nuclei e all’energia spesa per le energie di legame nucleare. .

L'enorme complessità di uno sciame di adroni è illustrata nella figura 1, che mostra i risultati di una simulazione (creata utilizzando il codice GEANT4 del CERN) di un protone di 500 GeV che entra in un assorbitore di rame. Gli adroni carichi sono mostrati in blu mentre gli elettroni e i positroni sono in rosso. Visivamente, l'intensità del colore indica la quantità di energia persa dalle particelle e rappresenta il segnale generato dal calorimetro.

Le interazioni delle particelle in sciami come questo rappresentano un'area di ricerca complessa ma molto importante nella fisica delle particelle e nel progetto di ricerca e sviluppo RD52 del CERN le stiamo studiando utilizzando un nuovo tipo di calorimetro (i risultati completi del progetto sono disponibili su www.phys .ttu.edu/~dream, dove è possibile visualizzare una raccolta di sciami adronici indotti da protoni in un assorbitore di rame). Questi strumenti a “doppia lettura” sono realizzati in rame o piombo e intervallati da due tipi di fibre ottiche: fibre scintillanti che rilevano tutte le particelle cariche e fibre trasparenti in cui la luce Cherenkov è generata prevalentemente dagli elettroni e dai positroni dello sciame. Questi due segnali molto diversi provenienti da uno sciame vengono utilizzati in combinazione per ottenere una misurazione altamente accurata delle energie degli adroni – comprese, soprattutto, le energie dei “getti” di particelle risultanti dalla frammentazione di un quark o di un gluone prodotti in interazioni fondamentali come quelli studiati al Large Hadron Collider del CERN e in altre strutture in tutto il mondo.

Un calorimetro appositamente progettato per misurare questi getti di particelle è mostrato in figura 2. È costituito da fibre di 1 mm di diametro su centri di 1,5 mm uniformemente intervallate in un assorbitore di rame. La dimensione di questo assorbitore è dettata dalle caratteristiche distanze di interazione di elettroni e adroni. La distanza su cui un elettrone interagisce e produce più particelle è chiamata lunghezza della radiazione ed è di circa un centimetro per la maggior parte dei metalli (compreso il rame). La distanza corrispondente alla quale interagirà un adrone è nota come lunghezza di interazione nucleare. Questo è considerevolmente più lungo, tipicamente 20-30 cm, e sono necessarie diverse lunghezze di interazione nucleare per assorbire completamente uno sciame adronico. La differenza è evidente nello sciame simulato in figura 1, che mostra gli adroni carichi di blu che percorrono distanze maggiori prima di interagire. Gli elettroni e i positroni di colore rosso interagiscono chiaramente su una scala molto più breve. I punti rossi sale e pepe evidenti in tutto il volume sono elettroni provenienti dallo scattering Compton di fotoni a bassa energia (circa 1 MeV) che hanno una sezione trasversale minima per interagire a questa energia e quindi diffondersi spazialmente nel calorimetro.