Rivelatori di particelle a LHC. Decima parte: particelle che non lasciano tracce.

Abbiamo imparato a rivelare la presenza di particelle che lasciano un qualche tipo di traccia, per ultimi i muoni, ma che facciamo con le particelle che non lasciano tracce, come i neutrini? A prima vista, non c'è molto da fare: questo tipo di particella attraversa tutti i rivelatori senza interagire, e non c'è verso di fargli lasciare una firma visibile. Se ci pensate bene, però, anche il non lasciare tracce è una traccia, ed è proprio quest'idea che i fisici utilizzano per evidenziare la presenza di una particella invisibile. Vediamo come.

Quando fate collidere i fasci accelerati nel centro del rivelatore, i due protoni viaggiano orizzontalmente: questo vuol dire che le loro velocità hanno  un componente esclusivamente tangenziale alla linee del fascio, mentre le componenti trasversali, nel piano perpendicolare alla linea dei fasci, sono nulle.

A seguito della collisione, uno spray di particelle più o meno popoloso viene prodotto, con oggetti che di allontanano dal punto di interazione un po' in tutte le direzioni. Ognuna delle particelle prodotte avrà una velocità, che potete scomporre in una componente tangenziale alla linea di fascio, ed una trasversale. Per semplicità, prendiamo il caso in cui le particelle prodotte siano solo due:

Siccome l'energia e la quantità di moto totali si conservano, se la loro componenti trasversali era nulla prima della collisione, devono essere ancora nulla dopo la collisione (in un collisore adronico la stessa idea non funziona per le componenti longitudinali, e la cosa ha a che fare con il fatto che i protoni non sono particelle elementari, ma sorvoliamo). Se vi mettere a fare la somma (vettoriale) delle componenti traversali di energia e momento di ogni particella, dovreste ritrovare zero, più o meno la precisione con cui siete in grado di misurarle, a meno che nella collisione non sia stata prodotta una particella invisibile. In questo caso, troverete dei valori sensibilmente diversi da zero, e persino orientati (si tratta di un'operazione con vettori) in una direzione particolare, come nel caso di destra nel disegno qui sotto (mentre nel caso di sinistra, tutto è ben bilanciato).

Con metodi più o meno sofisticati, gli esperimenti calcolano per ogni collisioni le quantità chiamate energia traversa mancante e momento traverso mancante. Se queste quantità sono particolarmente grandi, e superiori alla precisione tipica che vi aspettate una volta che abbiate tenuto conto dei rumore elettronico nei rivelatori, della precisione delle misure, e dell'eventuale superposizione di altre collisioni, è un chiaro segno della presenza di una o più particelle invisibili.

Ecco un esempio: nell'event display qui sotto avete una chiara traccia di un muone, e una grande energia trasversa mancante a bilanciare dall'altra parte. Una volta che guardate i valori, ne dedurrete che si tratta di un buon candidato di un decadimento di bosone W in un muone e un neutrino.

Naturalmente, le cose possono complicarsi a piacere. Ci sono casi in cui una discreta energia traversa mancante può essere generata da problemi nei rivelatori (immaginate una fetta dei calorimetri che si spegne per un istante), casi che vanno dunque studiati per bene; altri in cui potrebbe sfuggirvi qualche particella (finita in una parte poco precisa dei rivelatori), o in cui un jet ha una grande componente invisibile. In generale, l'energia e il momento trasversi mancanti sono quantità delicate, da trattare con attenzione e una discreta dose di cautela. Le rivelazione di particelle invisibili è difficile, e sempre meno precisa di quella delle particelle che lasciano tracce, ma è possibile, ed essenziale in molti casi.

(continua. O meglio, finisce alla prossima puntata)

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2 Commenti

  1. Giovanni
    Pubblicato il 20 luglio 2012 alle 11:16 | Permalink

    Marco,

    c'è una domanda che da tempo volevo fare, mi sembra molto in sintonia su quest'articolo sulle particelle che non lasciano traccia.
    Immaginiamo che nel 2015, quando (gradualmente?) aumenterete l'energia nel centro di massa, un bel giorno *improvvisamente* si registri un macroscopico "ammanco" di energia in tutte le particelle rilevabili prodotte dalla collisione. Del tipo che a 12 TeV tutti i conti tornano "as usual" e a 12.5 TeV il 20% dell'energia "scompare". Sarebbe la conferma della generazione di particelle di materia oscura a questa densità di energia? La materia oscura è solo un'ipotesi derivante dalle osservazioni cosmologiche o è in qualche modo prevista da qualche teorico di fisica delle particelle? E per finire (scusa la prolissità): che beffa sarebbe se la materia oscura si generasse a energie appena superiori alle capacità di LHC... tipo a 15 TeV!

  2. Pubblicato il 20 luglio 2012 alle 11:22 | Permalink

    @Giovanni: uno scenario del genere sarebbe bellissimo 🙂 Ma naturalmente le cose sono più complesse: anche se per la produzione delle particelle responsabili della materia oscura potrebbero in effetti esserci effetti a soglia, è difficile che la produzione delle altre particelle, quelle che già produciamo a energie più basse, si riduca così tanto, specie se le particelle oscure interagiscono poco con il resto del mondo, come sembra essere dalle osservazioni astronomiche. Sulle soglie di energie si potrebbe dire molto, ma in sostanza hai ragione, sarebbe un bello scacco. Ci sono buone ragioni per pensare che non sarà così, ma, si sa, la Natura è spesso maligna! 🙂

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché.

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