Una stanza dimenticata, nascosta 300 piedi sottoterra, abbandonata da oltre un decennio e circondata da un silenzio assoluto. Nelle vicinanze, solo un tunnel dove le particelle vengono accelerate quasi alla velocità della luce.
Sembra l’inizio di un film horror a tema fantascientifico, ma in realtà non lo è: descrive semplicemente il luogo perfetto in cui si trova FASER, “ForwArd Search ExpeRiment”.
Ci troviamo al CERN, a circa 480 metri a valle dal più famoso esperimento ATLAS, in un tunnel di servizio che non veniva usato da decenni.
In questo luogo dimenticato, il team di ricercatrici e ricercatori del progetto FASER ha preso possesso di una stanza e con determinazione l’ha trasformata in un nuovo laboratorio di ricerca dedicato all’esplorazione dei segreti più profondi dell’universo.
Lo scopo principale di FASER è quello di aiutare a superare le “debolezze tecniche” degli altri esperimenti del Large Hadron Collider (LHC). Infatti, particelle neutre come i neutrini non possiedono una carica elettrica e, di conseguenza, sfuggono ai principali rilevatori situati sulla circonferenza del tunnel di LHC. Infatti, invece di compiere un’orbita circolare, come le altre particelle che vengono rilevate dai diversi esperimenti, i neutrini si muovono lungo una tangente alla circonferenza, in direzione lineare, e si spostano in quella che viene chiamata dagli scienziati la regione anteriore. Notando le potenzialità scientifiche di questa regione, i ricercatori hanno dunque deciso di costruire un esperimento predisposto proprio allo studio di queste particelle sfuggenti, e hanno avuto la fortuna di trovare una stanza abbandonata in uno dei tunnel di servizio che veniva precedentemente utilizzato da un collider predecessore di LHC, il Large Electron Positron collider (LEP).
Come funziona l’esperimento FASER
Per riuscire a identificare particelle senza carica elettrica e che di solito sfuggono ai rilevatori tradizionali, l’esperimento FASER è composto da una serie di elementi chiave.
Al cuore della struttura si trova un rilevatore di particelle incredibilmente sensibile. Accanto a questo rilevatore è possibile trovare un magnete toroidale di precisione, che ha lo scopo di curvare con precisione la traiettoria delle particelle cariche, permettendo ai ricercatori di determinare con grande accuratezza la loro carica e il loro impulso. Il magnete ha un ruolo molto importante nel complesso dell’esperimento, poiché consente di selezionare accuratamente le particelle da analizzare e contribuisce così alla precisione e alla qualità dei dati raccolti.
Un altro componente chiave dell’esperimento è rappresentato dal calorimetro elettromagnetico, un dispositivo che consente di misurare con alta precisione l’energia delle particelle cariche che interagiscono con esso. In questo modo, è possibile ottenere ulteriori informazioni sulla natura e sul comportamento delle particelle che attraversano FASER.
Infine, l’esperimento è equipaggiato anche con uno strato di scintillato a fibra ottica. Gli scintillatori sono dispositivi che possono rilevare la presenza di particelle cariche, come elettroni e muoni, convertendo l'energia rilasciata da queste particelle in segnali luminosi che possono essere rilevati e registrati dagli strumenti di misurazione. Nel caso di FASER, gli scintillato sono strategicamente posizionati all’interno dell’apparato sperimentale, in modo da rilevare e registra con precisione le tracce di queste particelle, fornendo così ulteriori dettagli sulla loro natura.
Ma come funziona esattamente l’esperimento FASER? Scopriamolo insieme.
In LHC, due fasci di protoni vengono accelerati a fino ad ottenere una velocità grande quasi quanto quella della luce e, una volta raggiunta, i protoni vengono fatti collidere uno contro l’altro. Questa collisione produce tutta una serie di particelle che saranno poi rilevate e analizzate dai grandi rivelatori presenti lungo la circonferenza di LHC. Tuttavia, alcune di queste particelle, le più elusive come ad esempio neutrini, muoni e potenziali nuove particelle ancora sconosciute, si nascondono ai normali detector e attraversano la materia in direzione lineare, per essere poi intercettate da FASER.
A questo punto, l’esperimento FASER blocca i muoni nella parte anteriore del detector, considerandoli come sorgenti di rumore di sottofondo, non utile nell’analisi dei dati. I neutrini, invece, interagiscono con il tungsteno presente nella forma di target all’interno di FASER e creano degli altri muoni, che questa volta, però, attraversano il detector e creano il segnale che viene registrato alla fine nel calorimetro. L’osservazione diretta di muoni che hanno attraversato l’intero esperimento porta i ricercatori ad affermare che c’è stata un’interazione di neutrini con la materia.
Ciò permette di approfondire gli studi relativi alla fisica dei neutrini, che ancora oggi risultano particelle molto sfuggenti e misteriose, ma che potrebbero racchiudere il segreto del nostro universo.
Crediti: FASER.
Le ricercatrici e i ricercatori di FASER
Per comprendere ancora più a fondo l’importanza di un esperimento come FASER, possiamo direttamente ascoltare le parole di un ricercatore e di una ricercatrice all’opera in questo esperimento: Stefano Zambito e Chiara Magliocca, entrambi parte del gruppo FASER dell’Università di Ginevra, in Svizzera. Stefano è project leader del progetto preshower upgrade di FASER, mentre Chiara è studentessa di dottorato all’ultimo anno che lavora all'upgrade del preshower dell’esperimento FASER.
Qual è stato il momento più emozionante o gratificante nel tuo coinvolgimento con FASER finora?
Chiara: «Per me, il momento più emozionante è accaduto quando FASER ha annunciato di aver visto il primo evento di neutrini da collider dopo aver passato solamente pochi mesi a prendere dati.»
Stefano: «Io invece mi sono emozionato molto quando sono sceso durante lo shutdown nel tunnel di LHC per vedere FASER di persona per la prima volta.»
Quali sono le sfide più significative che il team di FASER ha dovuto affrontare durante la progettazione e la costruzione dell’esperimento?
Chiara: «La caratteristica particolare di FASER è che è stato costruito recuperando spare parts, ossia utilizzando pezzi in più che avanzavano da altri esperimenti. Una volta assemblato, non era scontato che funzionasse tutto perfettamente, anche perché il rilevatore era gestito da un team di poche persone.
È stata una bella sfida ma anche una grande soddisfazione.»
In cosa FASER è diverso rispetto agli altri esperimenti condotti al CERN?
Chiara: «FASER è un esperimento a zero background e lontano dai siti di collisione principali, il che significa che è un esperimento costruito per cercare eventi rari e con caratteristiche uniche rispetto alla fisica che solitamente viene fatta a LHC.»
Quali sono le aspettative per i risultati di FASER e cosa potrebbero significare per la nostra comprensione della fisica delle particelle?
Stefano: «Ciò che ci auguriamo è di scoprire quali particelle compongono la cosiddetta materia oscura, che compone la maggior parte del nostro universo.
Tuttavia, anche se osservassimo dei dati nulli, ciò ci permetterebbe comunque di comprendere meglio la sua natura.»
Qual è il messaggio chiave che vorresti comunicare al pubblico riguardo alla ricerca condotta presso FASER e l'importanza della fisica delle particelle per la nostra società?
Stefano: «Di solito si pensa a LHC come un esperimento estremamente complesso e costoso, ma in realtà anche con esperimenti più piccoli ma ingegnosi e che costano una piccolissima frazione del budget del CERN, si può fare della fisica molto interessante.»
In conclusione, l'esperimento FASER rappresenta un notevole progresso nell'esplorazione dei segreti dell'universo, sfruttando una stanza dimenticata nel tunnel di servizio del CERN e trasformandola in un laboratorio di ricerca all'avanguardia.
L'obiettivo principale di FASER è superare le sfide tecniche degli altri esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), consentendo di studiare la nuova fisica in modi sorprendenti e significativi.