Misure di Fisica a CMS

Le particelle elementari che costituiscono la realtà: la materia, le forze e le interazioni

CMS è un esperimento di fisica delle particelle elementari. Questo campo della fisica si occupa di capire quali sono i costituenti elementari della materia, come interagiscono tra loro per formare aggregati più grandi e quale ruolo hanno avuto nell’evoluzione dell’universo.

La materia che ci circonda è costituita da atomi, che hanno una dimensione dell’ordine di 10^-10 m. L’atomo è costituito a sua volta da un nucleo, di carica elettrica positiva e dimensione 10^-14-10^-15 m, attorno al quale orbitano elettroni, di carica elettrica negativa.

Nel nucleo si trovano protoni e neutroni, prototipi di una famiglia di particelle dette adroni. Se da un lato gli elettroni appaiono essere puntiformi, ovvero senza una struttura interna, protoni e neutroni appaiono essere costruiti da terne di due tipi di particelle puntiformi dette quark, uno di carica positiva, chiamato up, ed uno di carica negativa, detto down. Come l’elettrone, che appartiene alla famiglia di particelle dette leptoni, anche i quark appaiono essere elementari.

Oltre ad elettroni, quark up e quark down, grazie ad esperimenti con i raggi cosmici e con gli acceleratori di particelle sono state scoperte altre particelle elementari: altri quark (strange, charm, beauty e top), ed altri leptoni (muoni, tau e tre tipi di neutrini).

Tutte queste particelle, dette fermioni, possono interagire tra di loro tramite scambio di particelle mediatrici delle interazioni, dette bosoni. Per ogni interazione fondamentale, ci sono gli opportuni bosoni mediatori. Le interazioni fondamentali note ad oggi sono, in ordine di intensità, l’interazione nucleare forte (responsabile dell’esistenza del nucleo atomico, e mediata dai gluoni), l’interazione elettromagnetica (responsabile dell’esistenza dell’atomo, e mediata da fotoni), l’interazione nucleare debole (responsabile di decadimenti radioattivi, e mediata dai bosoni W e Z) e la gravitazione, che agisce tra corpi massivi. La massa delle particelle elementari è descritta dal “meccanismo di Higgs”, che prevede l’esistenza di un campo che permea tutto lo spazio ed una particella chiamata bosone di Higgs.

Modello standard delle particelle elementari

Il modello standard della fisica delle particelle elementari è la teoria che oggi viene usata per descrivere i costituenti elementari della materia e le loro interazioni. E’ una teoria che ha ottenuto un grande successo sperimentale e che descrive una varietà enorme di fenomeni, dalla materia che ci circonda a fenomeni su scala astronomica. D’altro canto, è noto da tempo che ci sono fenomeni astrofisici e cosmologici che indicano la necessità di ulteriori elementi che non trovano spiegazione nel modello standard, quali la materia oscura e l’energia oscura. Anche uno sbilanciamento tra materia ed antimateria, che vede una completa scomparsa dell’antimateria nel mondo che ci circonda, non è spiegabile dal modello standard. Questa teoria appare pertanto un’ottima teoria efficace alle scale di energia che abbiamo potuto sondare sinora, ma probabilmente è l’approssimazione di una teoria più vasta, ancora non identificata. Numerose teorie oltre il modello standard sono state proposte e la comunità sperimentale della fisica delle particelle è alla ricerca di segnature che possano portare ad evidenze di questa “nuova fisica”.

CMS ha già riportato una enorme mole di risultati che hanno contribuito a confermare con grande precisione diverse predizioni del modello standard ed ha altresì riportato ricerche ad ampio spettro di nuova fisica oltre il modello standard, che hanno contribuito a vincolare o escludere diversi scenari proposti nel corso degli anni dai fisici teorici.

Le attività per le misure di fisica di CMS sono organizzate in gruppi di lavoro (PAG = Physics Analysis Groups) focalizzati su argomenti specifici: la fisica elettrodebole e la quanto-cromodinamica, la fisica del quark beauty, la fisica del quark top, la fisica del bosone di Higgs, la ricerca della supersimmetria, le ricerche di particelle “esotiche” previste in diversi scenari oltre il modello standard, la fisica specifica delle collisioni con ioni pesanti, etc.

La comunità di CMS Italia ha contribuito e contribuisce a pressoché tutti i PAG di CMS, spesso con ruoli importanti e di coordinamento. Molti giovani italiani hanno contribuito con le loro tesi al successo dell’esperimento e spesso, dopo la tesi, sono diventati attori di primo piano anche in istituzioni estere.
CMS ha dato e continua a dare un contributo importante alla formazione dell’attuale e futura generazione di scienziati e scienziate della fisica delle particelle.

L'INFN nell'esperimento CMS

L’INFN è fortemente coinvolto in CMS, circa 250 fisici e ingegneri provenienti da 14 Sezioni e 2 Laboratori Nazionali lavorano all’esperimento. In particolare, frazioni significative del sistema di rivelazione per muoni, del magnete superconduttore e del calorimetro elettromagnetico e del tracciatore centrale a strisce di silicio sono state realizzate in Italia. Una ampia ed esaustiva descrizione dell’esperimento è riportata nel menù denominato “L’esperimento CMS”.

Approfondimenti

Cos'è LHC

Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra è un acceleratore di particelle, con una circonferenza di 27 Km

Organigramma

Organizzazione e scienziati al lavoro sul progetto

L’esperimento CMS è una delle più grandi collaborazioni internazionali nella storia scientifica

Team INFN

Oltre 250 fisici e ingegneri sono impegnati a lavorare all’esperimento ed hanno realizzato significative frazioni del sistema

Board Internazionali

Cms in Italia

I Gruppi di Lavoro

L’esperimento CMS è una delle più grandi collaborazioni scientifiche internazionali della storia, che coinvolge 5000 tra fisici delle particelle, ingegneri, tecnici, studenti e personale di supporto di 200 istituti di cui 16 in Italia.

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