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Tecniche Avanzate per la Fisica Fondamentale

Tecniche Avanzate per la Fisica Fondamentale

Il progetto interdisciplinare Tecniche Avanzate per la Fisica Fondamentale si articola in vari sottoprogetti che sono in fase di definizione e saranno pronti per il prossimo Piano Triennale.

Al momento gli argomenti di ricerca sono:

- Quark-Gluon Coloured World (QGCW) – ALICE and beyond
- Problematiche Aperte della Meccanica Quantistica (PAMQ)
- Fisica Fondamentale nello Spazio (FISP) 


Il Progetto QGCW – ALICE and beyond si propone di studiare le collisioni tra nuclei pesanti di Piombo (208Pb82+) alla massima energia mai finora raggiunta facendo uso del Large Hadron Collider (LHC) del CERN. A queste energie è possibile riprodurre lo stato della materia così come si suppone fosse alcuni milionesimi di secondo dopo il Big Bang. E' una materia caratterizzata dal deconfinamento di quark e gluoni con carica di colore non nulla e descritta dalla Quantum Chromo Dynamics (QCD): un mondo "colorato", denominato QGCW, composto di materia fondamentalmente diversa da quella che conosciamo (fatta di barioni a carica di colore zero). La comprensione delle caratteristiche di questa materia rappresenta una sfida per la fisica moderna e si basa proprio sullo studio delle collisioni Pb-Pb a LHC, sia misurando proprietà globali degli eventi (molteplicità, spettri di particelle, flussi ecc.), sia usando "sonde" specifiche che la attraversino dall'interno (quark pesanti e jet di adroni prodotti nell'interazione tra i nuclei) o dall'esterno (un ulteriore possibile fascio incidente con sincronizzazione temporale al livello dei femtosecondi (10–15 s)).

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Il Progetto QGCW – ALICE and beyond si inserisce in questa prospettiva e il primo passo è stata la partecipazione, sin dal 2009, all'esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) operante a LHC, e in particolare alla realizzazione del grande rivelatore TOF (Time-Of-Flight) che costituisce una componente essenziale dell'apparato sperimentale per l'identificazione delle particelle cariche prodotte. La tecnologia usata per il TOF è ancora quella delle MRPC (in una versione più sofisticata rispetto al Progetto EEE), con una risoluzione temporale totale inferiore ai 80 picosecondi su una superficie di circa 140 m2. Le eccezionali prestazioni di questo rivelatore permettono un'accurata identificazione delle particelle, strumento fondamentale in molte delle analisi effettuate. Si tratta del più grande rivelatore al mondo per questo tipo di misure. Il Centro Fermi ha contribuito a questo Progetto sia nella costruzione e messa in opera dei rivelatori sia nelle calibrazioni e nelle analisi finali di fisica. I dati raccolti dal 2009 al 2013 hanno già portato a risultati molto interessanti sulle proprietà del QGCW (densità di energia, volume, temperatura, viscosità, presenza di nuovi fenomeni di ricombinazione per le particelle con quark charm). In particolare il Centro Fermi ha avuto un ruolo primario nella misura della differenza di massa tra deutone e anti-deutone e tra 3He e anti-3He. I dati dimostrano una differenza di massa compatibile con zero. Questo risultato fornisce un miglioramento di un fattore da 10 a 100 rispetto alle misure precedenti e rappresenta un test fondamentale per l'invarianza CPT (carica-parità-tempo) nelle interazioni nucleari. I risultati sono stati pubblicati in una rivista ad altissimo impact factor come NATURE PHYSICS. Un altro importante risultato di questa fisica è legato ai fenomeni collettivi: essi sono normalmente presenti in interazioni tra nuclei pesanti caratterizzate da grandi volumi interessati nella collisione. ALICE ha però evidenziato che sono inaspettatamente presenti anche in sistemi più piccoli prodotti da interazioni protone-nucleo o anche protone-protone. L'analisi dei dati per questi studi si basa molto sull'identificazione delle particelle e sull'uso del TOF. Il fenomeno sembra sia collegato alla molteplicità dell'evento e non al tipo di collisione: un risultato che punta alla possibilità per la QCD di una descrizione omogenea delle diverse interazioni sulla base della molteplicità. Nel 2015, con l'inizio del RUN II a LHC, sono state prodotte collisioni a un'energia nel centro di massa mai finora raggiunta: 13 TeV in protone-protone e 5 TeV in Piombo-Piombo. Insieme a un importante aumento della statistica accumulata, questi nuovi dati saranno indubbiamente importanti per una maggiore comprensione delle proprietà del Quark Gluon Coloured World.

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