CMS

Responsabile Locale: Silvia MASELLI

Responsabile Nazionale: Roberto TENCHINI

CMS (Compact Muon Solenoid) è un esperimento di fisica delle particelle che studia le collisioni frontali di protoni e che opera alla frontiera dell’alta energia. L’esperimento è collocato in una caverna sotterranea a circa centro metri di profondità a Cessy, in Francia non lontano dalla città di Ginevra in Svizzera, in uno dei quattro punti di interazione dei due fasci di protoni che vengono accelerati all’interno del collisore adronico Large Hadron Collider (LHC) del CERN.

LHC è la macchina acceleratrice più potente costruita fino ad oggi, si sviluppa lungo un tunnel circolare di 27 km e raggiunge una energia massima di 14 TeV nell’urto di due protoni, consentendo un notevole passo avanti nella capacità di scoprire nuove particelle ed esplorare possibili nuove strutture delle particelle che oggi consideriamo elementari. Infatti parte dell’energia di collisione viene trasformata in massa, creando nuove particelle. 
CMS è un apparato di grande dimensione (alto 15 metri, come un edificio di 5 piani, per circa 14,000 tonnellate di peso) ed estrema complessità, dove trovano applicazione le tecnologie più moderne nel campo dei rivelatori, dell’elettronica, dei sistemi di acquisizione dati e di calcolo. CMS è stato esplicitamente disegnato per scoprire nuovi fenomeni e nuove particelle.

E’ abbastanza divertente osservare che per osservare i più piccoli costituenti dell’Universo sono necessari acceleratori estremamente potenti e apparati di misura giganteschi. Ma i rivelatori devono essere grandi perché le particelle prodotte nelle collisioni sono molto energetiche e sono necessarie grandi distanze e quantità di materiale per fermarle. Inoltre più grande e’ il rivelatore e più precise sono le misure che si possono ottenere.

CMS è costituito da diversi rivelatori di particelle disposti secondo gusci concentrici intorno al punto di incrocio dei fasci. Dal punto di interazione verso l’esterno, i rivelatori che costituiscono CMS sono:

  • il tracciatore (Tracker), basato su rivelatori al Silicio, che misura con precisione le tracce lasciate dalle particelle cariche;
  • il calorimetro elettromagnetico (ECAL), composto di cristalli scintillanti, che ha lo scopo di rivelare e misurare l’energia di elettroni e fotoni;
  • il sistema di calorimetri adronici (HCAL e HF), per la misura di jets di adroni;
  • il sistema di camere per muoni (MUON), per la identificazione e la misura dei muoni

Tracker, ECAL e HCAL sono racchiusi all’interno di un magnete solenoide superconduttore, costruito dall’Ansaldo di Genova, che crea un campo magnetico di 4 tesla (circa 100,000 volte il campo magnetico terrestre) parallelo all’asse dei fasci. Il campo magnetico permette di curvare le particelle cariche, consentendo la misura del loro impulso e del segno della loro carica.

I dati raccolti da CMS sono distribuiti utilizzando il World Wide Web e analizzati da circa 3,000 scienziati di tutto il mondo.

CMS cerca di trovare risposte ad alcune domande sulle forze fondamentali che hanno dato forma al nostro Universo a partire dall’inizio dei tempi e che determineranno il suo futuro. Tra le questioni ancora aperte ci sono l’origine delle masse, la possibile esistenza di dimensioni extra dello spazio, l’unificazione delle forze fondamentali e la evidenza per candidati di materia oscura nell’Universo. Queste ricerche sono volte ad aumentare la nostra conoscenza di base ma possono dare origine, come è sempre successo nel passato, a nuove tecnologie che cambiano il mondo in cui viviamo.

Gli esperimenti effettuati negli ultimi decenni e gli avanzamenti nella loro interpretazione teorica hanno portato alla costruzione di una teoria, nota sotto il nome di Modello Standard, che descrive efficacemente le interazioni fra le particelle. Ma la nostra comprensione della Natura è ancora incompleta e in particolare il Modello Standard originale non era in grado di spiegare il perché della varietà di massa osservata nelle particelle elementari. Inoltre la simmetria responsabile dell’unificazione elettrodebole richiedeva che le particelle responsabili di trasportare le interazioni fondamentali (i bosoni) avessero tutte massa nulla. In effetti il fotone, che trasporta l’interazione elettromagnetica ha massa zero ma il fatto che i bosoni W e Z (premio Nobel per la scoperta a Carlo Rubbia), che trasportano l’interazione debole, sono massivi rompe la simmetria fondamentale della interazione elettro-debole. Il meccanismo di rottura spontanea della simmetria proposto dai fisici teorici circa 50 anni fa riusciva finalmente a spiegare la presenza di massa delle particelle e tra l’altro spiegava perché l’interazione trasportata da bosoni massivi fosse un’interazione di corto raggio e quindi “debole”. Il fisico scozzese Peter Higgs predisse, nel 1964, che il meccanismo di rottura di simmetria richiedeva pero’ l’esistenza di un nuovo bosone, che venne da allora chiamato bosone di Higgs. La teoria non era in grado di predire la massa esatta del bosone di Higgs e da allora i fisici sperimentali hanno cercato questa nuova particella.

Finalmente il bosone di Higgs è stato osservato per la prima volta proprio dall’esperimento CMS e dal suo competitore ATLAS a LHC. Il 4 luglio 2012, in una conferenza tenuta nell’auditorium del CERN, presente Peter Higgs, i due esperimenti davano l’annuncio della scoperta di una particella compatibile con il bosone di Higgs, la cui massa risultava intorno ai 125 GeV. La scoperta del Bosone di Higgs veniva ufficialmente confermata nel marzo 2013, nel corso di una conferenza. L’8 ottobre 2013 Peter Higgs e François Englert sono stati insigniti del premio Nobel per la Fisica.

I dati relativi alle caratteristiche del bosone di Higgs sono tuttavia ancora incompleti e a partire dal 2015 CMS esplorerà regioni di energia non ancora raggiunte con i fasci di altissima intensità del collisore LHC, per verificare se effettivamente la nuova particella ha tutte le caratteristiche del bosone di Higgs. Il grande acceleratore che ha reso possibile la scoperta del bosone di Higgs ripartirà infatti nella primavera del 2015 dopo una fase di aggiornamento di circa due anni che consentirà di raddoppiare l’energia disponibile negli urti protone-protone.

Il Bosone di Higgs è soltanto l’ultimo di una serie di scoperte che permettono di raffinare il Modello Standard spiegando in questo caso come tutte le particelle hanno acquisito la massa che noi osserviamo (e quindi perché possono esistere gli atomi, il mondo in cui viviamo e noi stessi). Rimangono pero’ ancora molte domande senza risposta:

  • perché abbiamo evidenza che oggi c’è solo materia nell’ Universo e non antimateria?;
  • cosa è la Materia Oscura (principale sorgente di campi gravitazionali nell’universo, ma dalle caratteristiche ignote) che è stata osservata nel Cosmo e che è cinque volte più abbondante della materia come noi la conosciamo? La materia oscura e l’energia oscura costituiscono rispettivamente il 23% e il 72% dell’Universo, mentre l’energia e la materia visibili ne costituiscono solo il 5%;
  • l’origine della gerarchia tra le masse dei fermioni;
  • la cancellazione delle divergenze legate al potenziale di Higgs;
  • la relazione tra la gravità e le altre forze.

Queste sono soltanto alcune tra le molte domande cui CMS cercherà di trovare risposta.


Gruppo di Torino

Il gruppo INFN di Torino ha avuto ed ha un ruolo importante nella costruzione, messa a punto e operatività del tracciatore, del calorimetro elettromagnetico, del sistema di camere per muoni e del trigger dell’esperimento CMS. Il gruppo è attualmente coinvolto nella analisi dei dati e nella costruzione dell’upgrade del rivelatore con contributi di eccellenza e con incarichi di responsabilità.

Il gruppo di CMS Torino e’ composto da:
Silvia Maselli,  Nicola Amapane, Roberta Arcidiacono, Stefano Argiro’, Michele Arneodo, Riccardo Bellan, Cristina Biino, Nicolo’ Cartiglia, Stefano Casasso, Marco Costa, Roberto Covarelli, Alessandro Degano, Lino Demaria, Linda Finco, Chiara Mariotti, Ernesto Migliore, Vincenzo Monaco, Ennio Monteil, Marco Musich, Margherita Obertino, Giacomo Ortona, Luca Pacher, Nadia Pastrone, Mario Pelliccioni, Gianluca Pinna Angioni, Alberto Potenza, Fabio Ravera, Alessandra Romero, Marta Ruspa, Roberto Sacchi, Ada Solano, Amedeo Staiano, Lorenzo Visca

Per maggiori informazioni:

CMS al Cern: http://cms.web.cern.ch/

CMS Italia: https://web.infn.it/cms/

CMS Torino: http://www.to.infn.it/cmstorino