Fisica delle particelle
all'INFN di Padova
L’obiettivo delle ricerche del Gruppo 1 è lo studio delle interazioni dei costituenti fondamentali della materia attraverso esperimenti con gli acceleratori di particelle.
Lo scopo delle attuali ricerche è di ottenere un’approfondita conoscenza di alcuni aspetti, come il meccanismo di generazione della massa delle particelle, o quello responsabile dell’asimmetria tra materia e antimateria, e in generale di individuare possibili scenari di Nuova Fisica che spieghino i problemi irrisolti del Modello Standard. In generale la fisica subnucleare richiede apparati di grande dimensione ed estrema complessità dove trovano applicazione le tecnologie più moderne nel campo dei rivelatori, dell’elettronica, dei sistemi di acquisizione dati, calcolo e analisi. Le collaborazioni sono composte da centinaia (o migliaia) di fisici provenienti da istituti e laboratori di tutto il mondo, un esempio molto importante di cooperazione internazionale. I gruppi INFN partecipano con contributi di eccellenza e con incarichi di responsabilità nei più elevati livelli decisionali degli esperimenti.
Le ricerche in fisica delle particelle all’INFN sono coordinate su scala nazionale dalla Commissione Scientifica Nazionale 1 (CSN1).
La sezione INFN di Padova partecipa alle seguenti attività di ricerca:
Esperimenti
ALADDIN
ALADDIN (An LHC Apparatus for Direct Dipole moments INvestigation) è un nuovo esperimento compatto a bersaglio fisso proposto al Large Hadron Collider (LHC) del CERN per misurare i momenti di dipolo elettromagnetico dei barioni charm, offrendo nuove informazioni sulle simmetrie fondamentali della natura. L’esperimento utilizza un cristallo curvo nell’anello dell’LHC per deviare protoni dell’alone del fascio verso un bersaglio solido. I barioni charm prodotti vengono poi incanalati in un secondo cristallo curvo; la precessione dello spin durante il channeling consente di determinare i momenti di dipolo tramite l’analisi dei decadimenti polarizzati. L’apparato include uno spettrometro di 4,4 m e un rivelatore RICH di 15 m. L’installazione è prevista nell’Insertion Region 3 durante il Long Shutdown 3, con presa dati nel Run 4.
Il gruppo di Padova contribuisce allo sviluppo del setup, del RICH e dei rivelatori a pixel.
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Belle II
Durante il Big Bang, materia e antimateria si sarebbero dovute creare in parti uguali. Tuttavia ovunque si guardi, nell’universo è presente soltanto la materia mentre l’antimateria sembra essere scomparsa. Inoltre sembra che la maggior parte della materia presente nell’universo non sia visibile ma bensì sia presente in forma di materia oscura. Qual è la natura della materia oscura? La nostra conoscenza del mondo microscopico è completa?
L’esperimento Belle II nell’acceleratore SuperKEKB in Giappone cerca di rispondere a queste e ad altre domande simili. Per farlo, usa le collisioni tra elettroni e le loro antiparticelle – i positroni – per studiare con misure estremamente precise le particelle risultanti dalla reazione.
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CMS
Il gruppo di Padova ha giocato un ruolo chiave nella progettazione e realizzazione di parti dell’esperimento ed è massivamente impegnato nella presa dati e operazione del rivelatore.
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DUNE
DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) è uno dei più grandi progetti internazionali dedicati allo studio dei neutrini, particelle fondamentali ancora poco comprese. L’apparato, attualmente in costruzione, verrà installato presso la Long-Baseline Neutrino Facility negli Stati Uniti. L’esperimento mira a chiarire il ruolo dei neutrini nell’evoluzione dell’universo e a capire perché la materia prevalga sull’antimateria. DUNE studierà inoltre fenomeni subatomici legati all’unificazione delle forze fondamentali e rileverà i neutrini prodotti da esplosioni stellari, offrendo nuove informazioni sulla formazione di stelle di neutroni e buchi neri.
Per maggiori informazioni: Dune at Fermilab e Dune Science.
ENUBET_NP06
NUBET_NP06 è un progetto, originariamente finanziato dall’European Research Council (ERC), che mira a produrre una innovativa sorgente di neutrini il cui flusso è controllato con altissima precisione ponendo dei rivelatori nella regione di decadimento in cui vengono generati. Recentemente lo sviluppo di ENUBET è confluito nel progetto nuSCOPE che prevede di porre tracciatori al silicio nella linea di produzione dei neutrini per determinarne l’energia evento per evento con una precisione senza precedenti, attraverso la ricostruzione completa del decadimento da cui vengono originati. L’alta risoluzione temporale di questi rivelatori consentirà inoltre di associare univocamente la produzione del neutrino con la sua interazione in un rivelatore vicino.
A Padova è stata concepita l’idea originaria di ENUBET per un fascio di neutrini monitorato e il gruppo locale si occupa dello sviluppo della linea di fascio di nuSCOPE e dei rivelatori per la sua strumentazione.
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HYPER_K
Hyper-Kamiokande è un esperimento di nuova generazione per lo studio dei neutrini, successore di Super-Kamiokande e T2K, con avvio previsto nel 2028. Utilizzerà il fascio di neutrini più intenso al mondo (1,3 MW), prodotto a J-PARC (Tōkai) con protoni da 30 GeV e rivelato a 295 km di distanza, sotto il monte Nijuugo. Il rivelatore, con massa fiduciale di 188 kton (8,4 volte Super-K), consiste in un cilindro di acqua ultrapura alto 93,7 m e largo 69 m, situato a 600 m di profondità e dotato di 20.000 fotomoltiplicatori da 50 cm e 800 multi-PMT. Studierà la violazione di CP tramite neutrini muonici da 600 MeV, la gerarchia delle masse, neutrini solari, supernovae e il fondo diffuso cosmico, oltre al decadimento del protone. L’INFN contribuisce a elettronica, multi-PMT, rivelatore vicino e computing.
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ICAR_US
ICARUS è un rivelatore di neutrini lungo circa 20 metri e dal peso di 760 tonnellate, nato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso grazie a una tecnologia innovativa basata sull’argon liquido. Dopo un importante aggiornamento al CERN, è stato trasferito al Fermilab negli Stati Uniti, dove fa parte del programma Short-Baseline Neutrino. Il suo obiettivo principale è cercare evidenze dei neutrini sterili, ipotetiche particelle che potrebbero ampliare il Modello Standard, oltre a studiare le interazioni dei neutrini e fenomeni di interesse astrofisico.
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IGNITE
IGNITE è l’acronimo di “Ground-up iNITiative for Electronics developments” (Iniziativa dal basso per lo sviluppo dell’elettronica) e mira a sviluppare rivelatori di particelle di nuova generazione e sistemi microelettronici integrati per i futuri esperimenti ad alta luminosità. Il progetto ha realizzato sensori a Pixel in tecnologie deep-submicron (28 um), ponendo l’accento su una eccellente risoluzione spaziale (45 um pixel pitch), un elevato flusso di particelle (fino a 300 kHz/pixel), un’estrema tolleranza alle radiazioni (superiore a 1 GRad) e una risoluzione temporale migliore di 30 ps. Oltre alla progettazione e allo sviluppo dei sensori, IGNITE incorpora diversi banchi di prova tecnologici, tra cui l’integrazione eterogenea 3D, un ricetrasmettitore ottico integrato e soluzioni architetturali avanzate.
LHCb
LHCb è uno dei quattro grandi esperimenti in corso a LHC, il più grande acceleratore di particelle al mondo. La comunità che lavora sul detector consiste in più di mille fisici provenienti da tutto il mondo. Lo scopo principale dell’esperimento LHCb è quello di investigare cos’è accaduto dopo il big bang, quando l’antimateria è scomparsa, lasciando soltanto la materia ordinaria, e l’universo è diventato come lo conosciamo oggi. Come una complessa macchina fotografica, LHCb cattura le collisioni di LHC in maniera complementare a CMS e ATLAS. LHCb ha già osservato diversi processi dove emerge l’asimmetria tra materia e antimateria, ha scoperto particelle esotiche composte da quattro e cinque quark legati assieme e svolto misure di precisione che suggeriscono deviazioni dalle teorie attuali e molto altro.
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MUONE
Le misure di altissima precisione sono un test severo della teoria delle particelle elementari. Attualmente ci sono indizi che mostrerebbero che il muone, una particella elementare instabile, non sia completamente descritto dalla teoria attuale “standard”, che nel caso dovrebbe essere modificata per includere della “nuova fisica”.
MUONE è un esperimento difficile ed ambizioso che ha lo scopo di misurare con alta precisione un parametro basilare del muone che caratterizza la sua interazione con un elettrone. L’esperimento si svolge presso l’acceleratore SPS al CERN di Ginevra. A Padova ci occupiamo dello sviluppo dello strumento dedicato alla misura dell’elettrone, il calorimetro elettromagnetico, sfruttando la luce emessa da cristalli contenenti piombo e tungsteno.
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NA64
NA64 è un esperimento del CERN che cerca di svelare la natura della materia oscura, una forma di materia invisibile che rappresenta gran parte del contenuto dell’universo ma che sfugge ancora all’osservazione diretta. Utilizzando un intenso fascio di particelle dirette su un bersaglio fisso, l’esperimento misura con grande precisione l’energia in ingresso e in uscita. Un’eventuale “energia mancante” potrebbe rivelare la produzione di nuove particelle invisibili, fornendo indizi sull’esistenza di un settore ancora sconosciuto della natura e aprendo la strada a una fisica oltre il Modello Standard.
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RD_FCC
Il gruppo di ricerca RD-FCC dell’INFN studia le possibilità per il progetto del Future Circular Collider (FCC) del CERN di Ginevra, che comprende una prima fase con un collisore e+e- (FCC-ee) seguito da un collisore di protoni con energie di circa 100TeV (FCC-hh). FCC-ee sarà capace di produrre direttamente le più pesanti particelle del Modello Standard e di misurare con una precisione senza precedenti le proprietà del bosone di Higgs e altri importanti parametri del Modello Standard. Offrirà anche condizioni molto favorevoli per la ricerca di particelle di materia oscura. I nostri studi si concentrano sullo sviluppo di un rivelatore proposto dall’INFN per FCC-ee, chiamato IDEA, ottimizzato per ottenere le misure con la precisione necessaria. A Padova ci occupiamo di sviluppo di software, studi teorici e anche esplorazione di nuove tecnologie da utilizzare a queste nuove macchine.
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RD_MUCOL
Il Muon Collider è un progetto nuovo e rivoluzionario che si propone di usare fasci di muoni di energia multi-TeV, mai raggiunte ad un collider leptonico, per la ricerca di Nuova Fisica. Molte sfide tecnologiche devono essere superate per realizzare il collider e il rivelatore, motivando la ricerca e lo sviluppo sia per gli acceleratori che per nuovi rivelatori. Il gruppo di Padova studia la progettazione dell’interfaccia acceleratore-rivelatore, l’ottimizzazione del rivelatore per ridurre gli effetti del fondo indotto dal fascio dei muoni e la determinazione della sensibilità dell’esperimento per i processi fisici più rilevanti.
Per maggiori informazioni: Muon Collider e Detector Wiki.
