Il rilevatore Vertex Locator presso l'Università di Liverpool. Credito:McCoy Wynne, Università di Liverpool
L'ultimo pezzo di un nuovissimo rivelatore ha completato la prima tappa del suo viaggio verso lo svelamento di alcuni dei misteri più duraturi dell'universo.
Il localizzatore di vertici da 41 milioni di pixel (VELO) è stato assemblato presso l'Università di Liverpool. È stato assemblato da componenti realizzati in diversi istituti, prima di recarsi a casa presso l'esperimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) al CERN.
Una volta installato in tempo per l'acquisizione dei dati, tenterà di rispondere alle seguenti domande:
Un sottile equilibrio all'alba dello spazio e del tempo
Negli istanti immediatamente successivi al Big Bang, l'universo si trovava in un sottile equilibrio tra materia e antimateria.
Da quello che capiamo sulle leggi della natura, queste forme di materia avrebbero dovuto annientarsi a vicenda e lasciare dietro di sé un universo pieno solo di luce. Eppure, contro ogni previsione, la materia ha in qualche modo guadagnato il vantaggio e qualcosa è stato lasciato per formare l'universo che conosciamo oggi.
La nostra migliore comprensione della fisica del Big Bang ci dice che materia e antimateria sono state create in uguali quantità. Quando entrarono in contatto nell'universo primordiale (molto più piccolo e molto più denso), tutta la loro massa combinata avrebbe dovuto essere violentemente trasformata in pura energia. Perché e come la materia sia sopravvissuta all'incontro è uno dei misteri più profondi della scienza moderna.
La teoria attuale è che, sebbene materia e antimateria siano state create come immagini speculari quasi perfette, deve esserci stato qualche piccolo squilibrio o imperfezione. Ciò significava che alcuni non erano riflessi perfetti. Questa differenza, per quanto minima, avrebbe potuto essere sufficiente per dare alla materia un vantaggio.
Attraverso lo specchio
Gli scienziati hanno già trovato una piccola crepa nello specchio, chiamata violazione della parità di carica (CP). Ciò significa che, in alcuni casi, la simmetria della materia e la riflessione dell'antimateria si rompono.
Ciò si traduce in una particella che non è l'esatto opposto della sua gemella e questa "simmetria rotta" può significare che una particella potrebbe avere un vantaggio sull'altra.
Quando questa simmetria viene interrotta, una particella di antimateria può decadere a una velocità diversa rispetto alla sua controparte di materia. Se un numero sufficiente di queste violazioni si fosse verificato dopo il Big Bang, potrebbe spiegare perché la materia è sopravvissuta.
Comportandosi in modo diverso dai loro equivalenti di antimateria, è possibile che le particelle di materia con simmetria rotta abbiano impiegato solo un po' più di tempo per decadere. Se questo ha fatto sì che la questione si fermasse un po' più a lungo, potrebbe spiegare come fosse l'ultima in piedi.
Il profondo sconosciuto
Perché la materia è sopravvissuta non è l'unico mistero nell'universo. C'è un altro problema che lascia perplessi gli scienziati:quale potrebbe essere la materia oscura?
La materia oscura è un tipo elusivo e invisibile di materia che fornisce la colla gravitazionale per mantenere le stelle in movimento attorno alle galassie. Poiché non sappiamo ancora cosa sia la materia oscura, potrebbe essere che nell'universo ci siano altre nuove particelle e forze che non abbiamo ancora visto.
Scoprire qualcosa di nuovo potrebbe rivelare un'immagine della natura radicalmente diversa da quella che abbiamo. Nuove particelle come queste potrebbero annunciarsi cambiando sottilmente il modo in cui le particelle che possiamo vedere si comportano, lasciando tracce piccole ma rilevabili nei nostri dati.
La bellezza e il fascino di VELO
Il nuovo rivelatore VELO, che sostituirà il vecchio rivelatore VELO, sarà utilizzato per studiare le sottili differenze tra le versioni materia e antimateria di particelle che contengono particelle subatomiche. Questi sono conosciuti come quark di bellezza e quark di charme.
Queste particelle esotiche contenenti quark, note anche come mesoni B e D, vengono prodotte durante le collisioni all'interno del Large Hadron Collider (LHC). Sono difficili da studiare perché i mesoni sono molto instabili e decadono in una frazione di una frazione di secondo.
Quando decadono, tuttavia, si trasformano effettivamente in qualcos'altro. Gli scienziati ritengono che, studiando questi diversi decadimenti e le loro proprietà, i dati VELO aiuteranno LHCb a rivelare le forze fondamentali e le simmetrie della natura.
Misure incredibilmente precise
Il nuovo rivelatore VELO si posizionerà il più vicino possibile al punto in cui le particelle si scontrano all'interno dell'esperimento LHCb. Queste particelle decadono in meno di un milionesimo di milionesimo di secondo e viaggiano solo per pochi millimetri. Pertanto, questa vicinanza darà al dispositivo la migliore possibilità possibile di misurarne le proprietà.
La sensibilità e la vicinanza di VELO ai raggi dell'LHC gli consentiranno di effettuare misurazioni incredibilmente precise delle particelle mentre decadono.
Confrontando queste letture con le previsioni fatte dal Modello Standard (la teoria guida della fisica delle particelle), gli scienziati possono cercare deviazioni che potrebbero suggerire nuove particelle in natura. Possono anche cercare violazioni CP o altri motivi per cui materia e antimateria si comportano in modo diverso.
Queste deviazioni potrebbero rivoluzionare la nostra comprensione del perché l'universo è quello che è.
Costruire sull'eredità del vecchio
Il VELO può essere nuovo di zecca e all'avanguardia, ma si baserà sull'eredità del precedente rivelatore VELO. Il VELO ha un rilevatore di pixel all'avanguardia composto da griglie di minuscoli quadrati di silicio che offre un'alta risoluzione anche nell'ambiente di radiazione difficile vicino ai raggi LHC.
Il suo predecessore, con le sue linee di rivelatori al silicio sovrapposti, ha aiutato LHCb a fare scoperte, tra cui:
Sguardi sul comportamento delle particelle
Il professor Themis Bowcock, dell'Università di Liverpool, leader del progetto VELO nel Regno Unito, ha dichiarato:"I dati acquisiti dal vecchio rivelatore VELO ci hanno fornito scorci davvero allettanti del comportamento delle particelle. Per fare progressi, dobbiamo trasformarli in un'analisi forense davvero approfondita indagine ed è qui che entra in gioco il nuovo rivelatore VELO. Ci fornisce la precisa serie di occhi di cui abbiamo bisogno per osservare le particelle al livello di dettaglio di cui abbiamo bisogno. Molto semplicemente, VELO rende possibile il nostro intero programma di fisica su LHCb."
Dettagli senza precedenti
Il nuovo VELO sarà in grado di catturare questi decadimenti con dettagli senza precedenti.
Abbinalo a un software aggiornato e a un'elettronica di lettura super veloce che consentirà di individuare in tempo reale i quark di bellezza e fascino. Gli scienziati disporranno di un dispositivo che consentirà loro di tracciare e analizzare i decadimenti che in precedenza erano troppo difficili da ricostruire.
Ciò che rende unico anche il nuovo rivelatore VELO è che gli scienziati possono rimuoverlo mentre preparano i fasci di particelle per le collisioni. Quindi, possono spostarlo meccanicamente in posizione quando LHCb è pronto per raccogliere dati.
Ciò consente agli scienziati di acquisire informazioni chiare dalle prime particelle che si irradiano dalle collisioni senza l'usura non necessaria del raggio. + Esplora ulteriormente
