The detector system of the SHiP/NA67 experiment at CERN

Nel vasto panorama della fisica moderna, gli scienziati sanno da tempo che il modello standard della fisica delle particelle, pur essendo incredibilmente efficace, è incompleto. Esso non può spiegare perché l'universo sia fatto di materia piuttosto che di antimateria, né tiene conto della sostanza invisibile nota come materia oscura. Per decenni, la strategia principale per trovare la nuova fisica è stata quella di costruire macchine che facciano scontrare particelle ad energie sempre più elevate, sperando di creare particelle pesanti e sconosciute. Tuttavia, esiste un'altra possibilità che è rimasta elusiva: particelle che sono leggere ma interagiscono così debolmente con la materia ordinaria da scivolare via dai nostri rilevatori. Queste sono note come particelle a debole interazione. Poiché sono così difficili da catturare, trovarle richiede un approccio diverso. Invece di cercare collisioni rare ad alta energia, gli scienziati devono generare un numero enorme di particelle e attendere che le più rare decadano in qualcosa di visibile. Questo passaggio dalla ricerca del pesante alla caccia al tenue è il cuore della frontiera dell'intensità, una nuova direzione della fisica che si basa sul volume e sulla precisione piuttosto che sulla forza bruta.

Presso il centro di ricerca CERN in Svizzera, un team di fisici si sta preparando a guidare questa carica con un esperimento chiamato SHiP, noto anche come NA67. L'obiettivo è costruire una struttura specializzata capace di produrre un flusso massiccio di protoni e utilizzarli per creare un settore nascosto di particelle che potrebbero spiegare i misteri più profondi dell'universo. Il team ha recentemente dettagliato la progettazione del sistema di rivelazione che renderà possibile questa ricerca. Questo sistema non è una singola macchina, ma un complesso insieme di diversi strumenti, ciascuno progettato per risolvere un problema specifico: come creare un ambiente pulito in cui un segnale debole possa essere visto contro uno sfondo di rumore travolgente. L'esperimento è programmato per iniziare le sue prime corse fisiche nel 2032, e il progetto presentato nel documento rappresenta il culmine di anni di pianificazione per garantire che, quando il fascio si accenderà, i rilevatori siano pronti a catturare i primi segni di nuova fisica.

L'esperimento inizia con un fascio di protoni che viaggiano ad alta velocità, i quali vengono sparati contro un bersaglio fatto di tungsteno puro. Questo bersaglio è progettato per essere il più efficiente possibile, creando una pioggia di nuove particelle quando i protoni lo colpiscono. Per gestire l'intenso calore generato da questo processo, il bersaglio è raffreddato da elio ad alta pressione che circola attraverso fessure nei blocchi metallici. Immediatamente dietro il bersaglio si trova uno potente scudo magnetico, una catena di magneti che agisce come un gigantesco filtro. Il suo compito è quello di spazzare via la stragrande maggioranza dei muoni, i pesanti cugini dell'elettrone, che vengono prodotti nella collisione. Senza questo scudo, questi muoni inonderebbero il resto dell'esperimento, creando un fondo così rumoroso che qualsiasi nuovo segnale verrebbe soffocato. Lo scudo riduce il numero di muoni di un fattore di un milione, lasciando un percorso molto più silenzioso per le particelle che gli scienziati sono realmente interessati a studiare.

Una volta filtrati i muoni, le particelle rimanenti entrano in un lungo tunnel vuoto riempito di gas elio. Questo è il volume di decadimento, uno spazio lungo cinquanta metri dove le particelle a debole interazione, se esistono, sono destinate a viaggiare ed eventualmente decadere in materia ordinaria che può essere rilevata. Poiché le particelle interagiscono così debolmente, possono percorrere l'intera distanza senza colpire nulla. L'elio all'interno è mantenuto in un sottile palloncino di polimero per minimizzare ogni possibilità che le particelle urtino atomi di gas prima di decadere. Circonda l'intero tunnel una sofisticata parete di sensori nota come "background tagger" (rilevatore di fondo). Questa parete è riempita di un liquido speciale che brilla quando una particella cariche vi passa attraverso. Il suo scopo è catturare eventuali particelle erranti che potrebbero infiltrarsi dai lati o interagire con le pareti del tunnel stesso. Se un segnale appare al centro del tunnel esattamente nello stesso momento in cui una particella colpisce la parete, il sistema sa che si tratta solo di rumore di fondo e lo ignora. Questo sistema è così preciso da poter distinguere tra un evento reale e uno falso con un'accuratezza temporale di un miliardesimo di secondo.

Alla fine del tunnel, l'esperimento cerca i detriti di eventuali decadimenti avvenuti all'interno. È qui che entra in gioco lo spettrometro del settore nascosto. Si tratta di un grande sistema di tracciamento composto da migliaia di sottili tubi simili a cannucci riempiti di gas. Mentre le particelle cariche volano attraverso questi tubi, lasciano una scia di segnali elettrici che permettono agli scienziati di ricostruire il percorso della particella con estrema precisione. Un grande magnete piega questi percorsi, il che aiuta gli scienziati a determinare l'impulso e l'identità delle particelle. A seguire il tracciatore c'è un rivelatore temporale fatto di barre scintillanti, che funge da cronometro per garantire che le particelle osservate provengano effettivamente dal volume di decadimento e non da un'altra fonte. Infine, le particelle entrano in un calorimetro, un dispositivo che misura la loro energia e identifica il tipo di particella. Questa sezione finale è cruciale per distinguere tra diversi tipi di decadimenti, come quelli che producono particelle leggere rispetto a quelli che producono particelle più pesanti.

L'intero sistema è progettato per operare senza un "trigger" tradizionale, il che significa che registra i dati continuamente piuttosto che attendere un segnale specifico per iniziare la registrazione. Questo è necessario perché l'esperimento dura per lunghi periodi e gli eventi di interesse sono così rari che un trigger standard potrebbe perderli. Invece, il sistema appone un timestamp a ogni singolo pezzo di dato, permettendo agli scienziati di ricostruire gli eventi in un secondo momento, cercando le finestre temporali in cui appaiono schemi interessanti. Il progetto include anche un rivelatore separato all'interno dello scudo dei muoni per studiare i neutrini, un tipo di particella notoriamente difficile da rilevare. Questa parte dell'esperimento mira a osservare migliaia di interazioni di neutrini, fornendo una ricchezza di dati su come queste particelle si comportano.

Il documento sottolinea che la progettazione del bersaglio e dello scudo magnetico è essenzialmente completa, con prototipi testati per garantire che possano resistere alle dure condizioni del fascio. I background tagger e lo spettrometro sono attualmente nella fase di prototipazione, con test in corso per confermarne le prestazioni. Il team è fiducioso che, entro l'entrata in funzione dell'impianto nel 2033, i rilevatori saranno pronti per cercare queste particelle elusive con una sensibilità ai vertici mondiali. Se le particelle a debole interazione esistono nell'intervallo di masse e accoppiamenti che l'esperimento è progettato per sondare, il rivelatore SHiP dovrebbe essere in grado di trovarle. Se non esistono, l'esperimento stabilirà i limiti più stringenti mai visti sulla loro esistenza, escludendo efficacemente una vasta porzione delle possibilità teoriche per la nuova fisica. Il lavoro rappresenta un attento equilibrio tra ingegneria e fisica, creando una macchina abbastanza silenziosa da poter ascoltare il sussurro più tenue dei segreti nascosti dell'universo.