L’esperimento CMS, o Compact Muon Solenoid, è un rivelatore di particelle al Large Hadron Collider (LHC), il più grande acceleratore di particelle del mondo. L’LHC, che è gestito dall’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) e si trova al confine tra Svizzera e Francia, accelera i fasci di particelle quasi alla velocità della luce, li schianta l’uno contro l’altro e poi cerca di decifrare l’effimera particelle che si formano di conseguenza, utilizzando rivelatori come il CMS.
In effetti, è stato rileva come il CMS che ha svolto un ruolo importante nella scoperta del bosone di Higgs nel 2012.
Ecco uno sguardo dettagliato a uno dei rivelatori coinvolti nella scoperta di Higgs, l’esperimento CMS.
Solenoide Muon Compatto
Lo scopo fondamentale del CMS, e degli altri rivelatori dell’LHC come ATLAS, è quello di acquisire quante più informazioni possibili sulle particelle create in collisioni ad alta energia nell’enorme anello sotterraneo dell’LHC lungo 27 chilometri (27 chilometri), secondo a CERN. Queste particelle normalmente volavano fuori dal punto centrale di collisione in linea retta. Ma all’LHC, potenti magneti curvano i percorsi delle particelle con carica elettrica. Misurando la forma dettagliata del percorso di una particella, gli scienziati possono calcolarne la carica e la quantità di moto, il che fornisce informazioni sul tipo di particella che è stata brevemente creata.
Nel caso del CMS, un enorme elettromagnete chiamato solenoide genera un campo magnetico circa 100.000 volte più forte di quello terrestre. Questo solenoide è costituito da una bobina cilindrica di fibre superconduttrici attraverso la quale 18.500 ampere di corrente elettrica passa, secondo CERN.
È questo magnete, il più grande solenoide mai costruito, che fornisce la terza parola nel nome del CMS. La prima parola, “compatto”, può sembrare strana date le enormi dimensioni del magnete, ma è un termine relativo. A 49 piedi (15 metri) di altezza e 69 piedi (21 m) di lunghezza, il rivelatore è davvero abbastanza compatto per tutte le apparecchiature scientifiche che contiene. La parola di mezzo, “muon”, si riferisce a un pesante, carico particelle elementari che il CMS è progettato per rilevare in modo molto accurato. I muoni sono parenti pesanti dell’elettrone, che sono importanti perché possono essere prodotti nel decadimento di diverse particelle vive, incluso il bosone di Higgs.
Il rivelatore CMS
Insieme all’esperimento ATLAS, il CMS è uno dei due rivelatori generici situati all’interno dell’LHC, secondo CERN. CMS e ATLAS hanno gli stessi obiettivi scientifici, ma utilizzano magneti e sistemi tecnici diversi. Come ATLAS, il CMS si trova in uno dei punti di intersezione dell’LHC, in una caverna a 328 piedi (100 m) sottoterra. Ma è sul lato opposto del collisore, il che lo colloca in un paese diverso. Mentre ATLAS si trova vicino a Meyrin, in Svizzera, il CMS è più vicino a Cessy, in Francia. Inoltre, ATLAS è stato costruito e assemblato nella sua caverna, ma il CMS è stato costruito in 15 sezioni a livello del suolo prima di essere abbassato nella sua posizione finale.
Il CMS è simile a una gigantesca fotocamera 3D, secondo CERN, scattando fino a 40 milioni di immagini di collisioni di particelle, da tutte le direzioni, ogni secondo. Assume la forma di una serie annidata di cilindri concentrici, ciascuno con un compito diverso da svolgere, avvolti attorno al punto centrale di collisione. Vicino al centro ci sono dei tracker di silicio, contenenti circa 75 milioni di sensori elettronici individuali, che possono registrare i percorsi curvi tracciati dalle particelle cariche. Più lontano, una serie di calorimetri misura l’energia delle particelle espulse in caso di collisione. Infine, lo strato esterno del rivelatore è dove si osservano i muoni inafferrabili, utilizzando “camere di muoni” appositamente progettate.
Fisica CMS
Sebbene il CMS si trovi fisicamente in Francia, da un punto di vista scientifico è una struttura globale. Come con ATLAS, l’esperimento CMS è un’impresa collaborativa che riunisce membri della comunità scientifica di tutto il mondo, secondo CERN. La collaborazione coinvolge più di 4.000 fisici e ingegneri di circa 200 università e altre istituzioni in oltre 40 paesi. Nel giugno 2020, la collaborazione CMS ha pubblicato il suo millesimo documento di ricerca sottoposto a revisione paritaria, secondo il Laboratorio Nazionale Acceleratori Fermiche è una delle strutture coinvolte nella collaborazione.
Un migliaio di documenti è un risultato straordinario, ancor di più perché LHC ha iniziato a funzionare solo nel 2009. Indubbiamente il punto più alto finora è stato il CMS questo articolo, che ha esposto il contributo dell’esperimento alla scoperta del bosone di Higgs. Previsto che esistesse già negli anni ’60, questa particella era sfuggita ai supercollider mondiali per decenni a causa della sua grande massa e della sua fugace esistenza.
Solo una volta che l’LHC ha iniziato a funzionare, le energie di collisione sono diventate abbastanza alte da creare l’Higgs. La ricerca si è finalmente conclusa nel 2012, secondo CERNcon un annuncio formale il 4 luglio di quell’anno che sia il CMS che ATLAS avevano rilevato la particella di Higgs con un significato di “5 sigma”, un termine statistico che significa che c’era meno di 1 possibilità su un milione di rilevamento è stato causato da fluttuazioni casuali.
Come testimoniano quei mille documenti, la scoperta di Higgs era lontana dalla fine della strada per il CMS. Quando l’LHC si riaccenderà nell’aprile 2022, l’esperimento CMS giocherà un ruolo centrale nel tentativo di rispondere ad alcune delle più grandi domande della fisica, incluso cosa materia oscura è fatto e se possono esistere altre dimensioni spaziali, secondo il CERN.
Risorse addizionali
- Esplora l’esperimento CMS sito web.
- Guarda un video sul Compact Muon Solenoid acceso Youtube.
- Visualizza centinaia di immagini CMS sul CERN server di documenti.
bibliografia
CERN. (n.d.). CMS. Estratto il 16 marzo 2022 da https://home.web.cern.ch/science/experiments/cms
CERN. (n.d.). Come funziona un rilevatore. Estratto il 16 marzo 2022 da https://home.web.cern.ch/science/experiments/how-detector-works
Esperimento CMS. (n.d.). Collaborazione. CERN. Estratto il 16 marzo 2022 da https://cms.cern/collaboration
Esperimento CMS. (n.d.). rivelatore. CERN. Estratto il 16 marzo 2022 da https://cms.cern/detector
Gray, H., & Mansoulié, B. (2018, 4 luglio). Il bosone di Higgs: la caccia, la scoperta, lo studio e alcune prospettive future. Esperimento ATLAS, CERN. https://atlas-public.web.cern.ch/updates/feature/higgs-boson
Wetzel, J. (24 giugno 2020). La collaborazione CMS pubblica il 1000esimo articolo. Fermi National Accelerator Laboratory, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. https://news.fnal.gov/2020/06/cms-collaboration-publishes-1000th-paper-2/