The SHiP/NA67 experiment at the ECN3 high-intensity beam facility at the CERN SPS

Questo articolo delinea la motivazione fisica, il design sperimentale e la sensibilità attesa dell'esperimento SHiP/NA67, un impianto di beam dump ad alta intensità approvato dal CERN nel 2024 per cercare particelle con interazioni deboli e studiare la fenomenologia dei neutrini durante un periodo operativo di 15 anni.

L'essenziale

Immaginate che l'universo sia una città enorme e frenetica. Per decenni, gli scienziati hanno cercato nuovi residenti (nuove particelle) costruendo enormi autostrade ad alta velocità (come il Large Hadron Collider) per far scontrare automobili a velocità incredibili. Sperano che, se colpiranno le cose con abbastanza forza, ne usciranno nuovi, pesanti residenti.

Ma c'è un problema: alcuni residenti sono così timidi e deboli che non si presentano nemmeno in questi scontri ad alta velocità, anche se esistono. Sono i "feeble interactors" (interattori deboli): particelle che sono leggere ma che interagiscono appena con tutto il resto. Per trovarli, non serve un martello più grande; serve una folla enorme.

Questo articolo presenta SHiP (Search for Hidden Particles), un nuovo esperimento approvato nel 2024 per essere costruito al CERN in Svizzera. Pensate a SHiP non come a un colpo di martello, ma come a una grande rete lanciata in un fiume di particelle.

L'Allestimento: Una Fabbrica di Particelle

L'esperimento utilizza un potente fascio di protoni (il "fiume") e lo fa scontrare contro un grosso blocco di tungsteno (la "rete").

• L'Obiettivo: Questo scontro crea una massiccia pioggia di particelle pesanti, alcune delle quali potrebbero decadere in le particelle "timide" e nascoste che stiamo cercando.
• Il Volume: In 15 anni, pianificano di sparare abbastanza protoni da creare 600 miliardi di miliardi (6×10²⁰) di impatti. Si tratta di una quantità di dati senza precedenti.

La Sfida: Il Problema del "Rumore"

Quando si fanno scontrare i protoni contro un bersaglio, si genera molto "rumore". Il maggior perturbatore è un'inondazione di muoni (un tipo di particella) e neutrini. È come cercare di sentire un sussurro in uno stadio pieno di tifosi che urlano.

• La Soluzione: SHiP utilizza un enorme schermo magnetico (come un campo di forza) per deviare i muoni urlanti.
• La Stanza a "Zero Background": Dietro lo schermo, c'è un lungo tunnel vuoto (il volume di decadimento). L'esperimento è progettato in modo che, se qualsiasi particella entra in questa stanza che non dovrebbe esserci, i sensori la segnalino istantaneamente. Questo crea un ambiente a "zero background" dove anche il decadimento di una singola particella nascosta sarebbe un segnale chiaro e innegabile.

I Due Compiti Principali dell'Esperimento

1. Il "Cacciatore di Fantasmi" (Trovare le Particelle Nascoste)
L'esperimento cerca particelle che vengono prodotte nello scontro, volano attraverso lo schermo e poi decadono (si frammentano) all'interno del lungo tunnel.

• Cosa cacciano: Leptoni Neutri Pesanti (HNL), Fotoni Oscuri, Scalari Oscuri e particelle simili ad Assioni.
• L'Analogia: Immaginate un agente segreto (la particella nascosta) che si intrufola attraverso un posto di blocco. Sono invisibili alle guardie, ma una volta raggiunta una stanza sicura (il tunnel), si tolgono il travestimento e si rivelano. Le telecamere di SHilem sono così sensibili da poter individuare quel travestimento che viene tolto.
• Perché è importante: Queste particelle potrebbero spiegare perché l'universo ha più materia di antimateria, cos'è la materia oscura e perché i neutrini hanno una massa.

2. L' "Osservatorio di Neutrini" (Studiare i Fantasmi)
Mentre l'obiettivo principale è trovare nuove particelle, lo scontro produce anche una massiccia inondazione di neutrini (particelle fantasmatiche che attraversano tutto).

• La Cattura Speciale: SHiP catturerà circa 1.000 neutrini tau all'anno. Si tratta di un numero enorme rispetto agli esperimenti precedenti.
• L'Analogia: Gli esperimenti precedenti erano come cercare di studiare un uccello raro avvistandolo una volta ogni dieci anni. SHiP sarà come una torre di avvistamento che vede migliaia di questi uccelli rari ogni anno.
• L'Obiettivo: Ciò consente agli scienziati di studiare come questi neutrini interagiscono con la materia in modi mai visti prima, specificamente osservando come si comportano quando si trasformano in particelle "tau".

La Cronologia e il Futuro

• Stato Attuale: Il progetto è nella fase di "Technical Design" (finalizzazione dei progetti).
• Costruzione: L'impianto è in fase di costruzione.
• Lancio: Si prevede di iniziare a sparare il fascio nel 2033.
• Primi Successi: Anche prima che la corsa completa di 15 anni sia terminata, i dati raccolti nei primi anni stabiliranno probabilmente i migliori limiti mondiali su dove queste particelle nascoste non si trovano, restringendo efficacementmente il campo di ricerca per il resto della comunità scientifica.

In Sintesi

L'esperimento SHiP è un cambio di strategia. Invece di cercare di distruggere le cose con più forza per trovare una nuova fisica pesante, sta cercando di esaminare un volume enorme di dati per trovare le particelle leggere e timide che si sono nascoste sotto gli occhi di tutti. Combina uno "schermo che deflette i muoni", un "tunnel silenzioso" e "telecamere super sensibili" per ascoltare i deboli sussurri dei segreti nascosti dell'universo.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica del Paper dell'Esperimento SHiP/NA67

Problema e Motivazione
Il Modello Standard (SM) rimane coerente con i dati attuali, ma non riesce a spiegare diverse osservazioni consolidate, tra cui l'origine e la piccolezza delle masse dei neutrini, l'asimmetria barionica dell'Universo e la natura della materia oscura. Queste lacune suggeriscono l'esistenza di una Fisica Oltre il Modello Standard (BSM). Mentre le strutture della frontiera delle alte energie (ad es. HL-LHC, FCC) cercano nuovi stati pesanti, molti potenziali candidati BSM potrebbero essere troppo debolmente accoppiati per essere prodotti direttamente dalle macchine esistenti. Queste "particelle a interazione debole" (FIP - feebly interacting particles), come i leptoni neutri pesanti (HNL), i fotoni oscuri, gli scalari oscuri, le particelle tipo assione (ALP) e la materia oscura leggera, interagiscono con lo SM con intensità troppo basse per una rilevazione tradizionale, ma possiedono masse nell'ordine di O(100 MeV) fino a pochi GeV. Il paper sostiene che le ricerche ad alta intensità, dove l'elevata velocità di produzione compensa le piccole intensità di accoppiamento, siano la strategia necessaria per esplorare questo spazio dei parametri.

Metodologia e Concetto Sperimentale
L'esperimento SHiP/NA67 è progettato come un esperimento di dump di fascio (beam dump) general-purpose ad alta intensità, situato nella sala ECN3 del Super-Proton-Synchrotron (SPS) del CERN, utilizzando il nuovo Beam Dump Facility (BDF). La metodologia si basa su tre componenti principali per rilevare le FIP:

1. Produzione ad Alta Intensità: Un fascio di protoni da 400 GeV/c viene diretto su un bersaglio di tungsteno per massimizzare la produzione di adroni a heavy-flavour (charm e beauty), che fungono da sorgenti per le FIP. L'esperimento mira ad accumulare $6 \times 10^{20}$ protoni su bersaglio (PoT) in circa 15 anni.
2. Soppressione del Background: La sfida principale è l'intenso flusso di muoni e neutrini che emergono dal dump. Per ottenere condizioni di "background zero", l'esperimento impiega uno scudo per muoni attivo e magnetizzato per deflettere i muoni residui di sei ordini di grandezza.
3. Decadimento e Rilevazione: Un lungo volume di decadimento strumentato permette alle FIP di decadere in particelle visibili dello SM. L'esperimento utilizza un sistema di rivelatori multistrato per ricostruire questi rari decadimenti, sopprimendo i background a livelli trascurabili.

Sottosistemi del Rivelatore
L'apparato sperimentale include diversi sottosistemi specializzati:

• Bersaglio e Scudo per Muoni: Un bersaglio di tungsteno con raffreddamento attivo e un assorbitore di adroni magnetizzato. Uno scudo per muoni magnetico attivo riduce il flusso di muoni di sei ordini di grandezza.
• Rivelatore di Scattering e Neutrini (SND@SHiP): Situato a valle del bersaglio, questo sistema utilizza un bersaglio silicio-tungsteno e un calorimetro di tracciamento magnetizzato ferro-scintillatore. È progettato per identificare le interazioni dei neutrini di tutti i sapori, mirando specificamente a $\mathcal{O}(10^4)$ interazioni di $\nu_\tau$ all'anno. Mira a misurare le funzioni di struttura $F_4$ e $F_5$ (accessibili solo tramite i neutrini tau), studiare le funzioni di distribuzione dei partoni a basso $x$ e misurare il contenuto di quark strani nel nucleone. Consente inoltre la rilevazione dello scattering di materia oscura leggera sugli elettroni.
• Tagger di Background: Per garantire un ambiente a background zero, l'esperimento utilizza un Upstream Background Tagger (UBT) con tracker a paglia (straw trackers) e piastrine scintillatrici, e un Surrounding Background Tagger (SBT). L'SBT racchiude il volume di decadimento riempito di elio con circa 780 celle contenenti ~145.000 L di scintillatore liquido, letto tramite moduli ottici di spostamento di lunghezza d'onda. Questo sistema raggiunge un'efficienza >99% e una risoluzione temporale sub-1 ns per taggare i muoni residui e le interazioni dei neutrini nelle pareti del vessel.
• Spettrometro di Decadimento del Settore Nascosto: Questo sistema ricostruisce i prodotti di decadimento visibili all'interno del volume di decadimento evacuato o riempito di elio. Comprende:
  • Uno spettrometro a tracker a paglia (quattro stazioni) accoppiato a un grande dipolo magnetico (0.6–0.8 T m), che fornisce una risoluzione spaziale di 120 $\mu$m.
  • Un rivelatore temporale utilizzando barre di scintillatore con risoluzione $\le$ 50 ps per sopprimere il background combinatorio.
  • Un sistema calorimetrico (concetto SplitCal) con sezioni elettromagnetiche e adroniche, incluse sezioni dedicate ad alta precisione per misurare le direzioni delle cascate elettromagnetiche e identificare gli stati finali neutri (ad es. $X \to \gamma\gamma$).

Contributi Chiave e Risultati Attesi
Il paper delinea la sensibilità attesa di SHiP attraverso una vasta gamma di modelli FIP.

• Sensibilità FIP: Per masse nell'ordine di O(100 MeV) fino a pochi GeV, si prevede che SHiP fornirà una sensibilità leader mondiale o record per l'accoppiamento, ben oltre la portata degli esperimenti esistenti e proposti. Mira a HNL, fotoni oscuri, scalari oscuri, ALP, materia oscura leggera elastica e anelastica, e particelle a carica millesima (millicharged particles).
• Fisica dei Neutrini: L'esperimento produrrà un intenso flusso di neutrini, in particolare $\mathcal{O}(10^3)$ $\nu_\tau$ all'anno. Ciò consentirà la prima determinazione delle funzioni di struttura $F_4$ e $F_5$ e fornirà campioni ad alta statistica per lo studio delle interazioni dei neutrini per tutti i sapori.
• Cronologia: La collaborazione è attualmente nella fase di Technical Design Report (TDR), con output previsti entro due anni. Il BDF è in costruzione, con l'inizio del commissioning del fascio previsto per il 2033. Il paper nota che i dati raccolti prima del successivo lungo fermo (long shutdown) permetteranno già a SHiP di stabilire limiti leader mondiali su gran parte del suo spazio dei parametri.

Significatività
Il paper afferma che la frontiera dell'energia non ha finora rivelato nuova fisica oltre lo SM, il che motiva fortemente un'esplorazione complementare della frontiera dell'intensità. SHiP/NA67 è presentato come una struttura con sensibilità leader mondiale per esplorare direttamente la frontiera delle particelle a interazione debole e studiare le interazioni dei neutrini di tutti i sapori. Operando in un regime essenzialmente privo di background, l'esperimento mira a risolvere questioni fondamentali riguardanti le masse dei neutrini, la materia oscura e l'asimmetria barionica che sono sfuggite alla rilevazione con i metodi precedenti. L'esperimento è approvato per il 2024 ed è programmato per iniziare l'acquisizione dati nel 2033 presso il CERN SPS.