Rivelatore SuperKEKB e Belle II in funzione: caccia all’asimmetria materia-antimateria

TECNOLOGIA – Un elettrone e un positrone che collidono alle più alte luminosità. Questo è uno dei fenomeni studiati dal nuovo progetto SuperKEKB e Belle II. Il primo, l’acceleratore costruito in Giappone ed erede di KEKB. Il secondo, un rivelatore, erede di Belle.

L’obiettivo di SuperKEKB è indagare la Nuova Fisica che va oltre il Modello standard delle particelle e i ricercatori andranno a caccia di fenomeni mai osservati prima. Potremo finalmente svelare i misteri della fisica contemporanea, come l’asimmetria tra materia e antimateria, l’esistenza della materia oscura e le onde gravitazionali.

L’esperimento ha prodotto le sue prime collisioni il 25 aprile alle ore 17.38 italiane (00.38 in Giappone) e l’Italia è in prima linea. È stato realizzato in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e l’Università di Pisa. Un acceleratore che avrà un compito ben diverso dal più famoso Large Hadron Collider del CERN di Ginevra.

Se nel sottosuolo del CERN si studiano le altissime energie delle collisioni tra protoni e ioni, nell’acceleratore SuperKEKB si indagheranno con estrema precisione i decadimenti rari di particelle elementari come quark beauty, quark charm e leptoni tau.

Il primo fascio di elettroni è circolato nell’acceleratore il 21 marzo scorso. 10 giorni dopo i ricercatori hanno fatto partire il primo fascio di positroni, cioè gli antielettroni. Da allora è iniziata la fase di commissioning dell’esperimento, una vera e propria sintonizzazione dell’acceleratore che il 25 aprile ha portato al primo evento di collisione.

L’acceleratore SuperKEKB con il rivelatore Belle II è entrato ufficialmente in funzione e avrà il delicato compito di raggiungere la più alta luminosità, una grandezza fisica che indica quante particelle collidono per unità di area e di tempo. Francesco Forti, presidente del comitato esecutivo dell’esperimento dell’INFN e dell’Università di Pisa, ha spiegato:

“Le prime collisioni rappresentano una pietra miliare nello sviluppo dell’acceleratore e dell’esperimento. Per quanto siano il punto di arrivo del lavoro di costruzione, sono soltanto il punto di partenza della presa dati e delle analisi, che ci porteranno a esplorare nuovi territori della fisica. La strada da percorrere è ancora lunga, ma la soddisfazione per questo risultato è palpabile in tutta la collaborazione”.

L’esperimento è costituito dall’acceleratore SuperKEKB e dal rivelatore Belle II. Nell’acceleratore i fasci di elettroni e positroni viaggiano in due anelli di tre chilometri separati a energie diverse, rispettivamente di sette e quattro miliardi di elettronvolt (GeV). L’acceleratore utilizza uno schema di collisione dei fasci innovativo, detto dei nano-beams, che è stato originariamente proposto dal fisico italiano Pantaleo Raimondi per il collider SuperB.

I due fasci hanno dimensioni nanometriche, cioè del miliardesimo di metro, e non viaggiano in direzioni opposte. Si incrociano formando tra loro un angolo molto grande rispetto ai tradizionali acceleratori come LHC al CERN. Questa tecnologia rende massima la regione nello spazio in cui i fasci si sovrappongono e dunque la luminosità.

A rivelare e misurare le collisioni è l’esperimento Belle II, un rivelatore alto otto metri e costituito da sette sotto-rivelatori per un peso totale di circa 1500 tonnellate. Belle II è sovrastato da un magnete di 1100 tonnellate e realizzato dalla collaborazione internazionale di cui fanno parte oltre 750 fisici e ingegneri di 25 Paesi. Tra questi c’è l’Italia con nove sezioni tra Laboratori INFN e Università (Napoli, Padova, Perugia, Pisa, Torino, Trieste, Roma Sapienza, Roma Tre, Laboratori Nazionali di Frascati ed Enea Casaccia).

Il rivelatore Belle II misurerà la luminosità prodotta dalla collisione tra elettroni e positroni, che secondo le previsioni degli scienziati sarà 40 volte superiore all’attuale record mondiale stabilito dal precedente acceleratore giapponese KEKB. L’obiettivo dei prossimi 10 anni sarà generare circa 50 miliardi di eventi di produzione di coppie mesoni B e anti-B, una quantità che è 50 volte superiore all’intero campione di dati raccolti dal precedente progetto.

Il contributo italiano a SuperKEKB e Belle II da parte dell’INFN sarà realizzare alcuni strumenti chiave come il rivelatore di vertice (SVD), che si occuperà della misura di precisione del punto in cui le particelle decadono. Verrà realizzato anche il sistema di identificazione di particelle (TOP) per riconoscere le particelle che attraversano il rivelatore. Parlano italiano anche il calorimetro elettromagnetico (ECL) che misurerà l’energia delle particelle e il rivelatore di muoni e mesoni K (KLM).

La prima fase di messa in funzione dell’esperimento SuperKEKB è iniziata nel 2016, con la verifica del funzionamento di base dell’acceleratore. Ora l’acceleratore entra nella sua configurazione finale ma solo nel 2019, con l’installazione del rivelatore dei vertici, inizierà la vera e propria raccolta dati.

Il sistema costituito da SuperKEKB e Belle II è una grande occasione per fare luce su questioni della fisica moderna che restano irrisolte. Soprattutto l’asimmetria tra materia e antimateria, create secondo i modelli astrofisici in uguali quantità durante il Big Bang. Nei miliardi di anni di evoluzione dell’universo la seconda sarebbe scomparsa, dato che oggi viviamo in un mondo fatto di sola materia. Un primo promettente passo, in attesa dell’inizio della presa dati, verso una nuova fisica ancora da svelare.

Segui Veronica Nicosia su Twitter

Leggi anche: Antidrogeno mai così preciso: ecco la nuova era della fisica

Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.