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L’esperimento ATLAS è tornato a rivelare particelle durante i test in preparazione del nuovo ciclo di collisioni all’acceleratore Large Hadron Collider (LHC) del CERN.

Alla fine del 2018 è terminato il secondo periodo di collisioni di particelle, il cosiddetto Run2, durato 4 anni. Dall’inizio del 2019 fisici, ingegneri e tecnici stanno lavorando intensamente alla manutenzione e all’aggiornamento dell’acceleratore LHC e dei suoi esperimenti in vista del nuovo periodo di presa dati (Run3), previsto dal 2022 al 2025. In ATLAS, tutte le migliorie apportate in questi anni permetteranno all’esperimento di raddoppiare il numero di dati raccolti, aumentando al tempo stesso la precisione e la qualità delle misure effettuate.

Questo periodo di lavoro frenetico sta per concludersi. L’osservazione delle prime particelle prodotte dai fasci di test di LHC di questi giorni rappresenta un grande traguardo in vista dell’inizio del nuovo ciclo di presa dati.

Per verificare il corretto funzionamento dell’acceleratore dopo il lungo periodo in cui è stato spento sono state organizzate due settimane di test in cui LHC fa circolare, ed eventualmente collidere, fasci di protoni a bassa energia. Questi test sono estremamente utili anche agli esperimenti che possono sfruttare le particelle prodotte per effettuare delle prese dati di prova, possibilmente includendo e testando tutte le nuove componenti installate durante gli ultimi anni (rivelatori, servizi, computing).

I primi fasci di protoni di prova, chiamati “pilot beam”, sono stati iniettati in LHC lo scorso 18 Ottobre.  Dopo diverse ore nelle quali sono stati ottimizzati alcuni parametri dell’acceleratore, il 19 Ottobre LHC ha fornito i primi “beam splash” all’esperimento ATLAS.

ATLAS utilizza eventi di “beam splash” (i.e. spruzzi di particelle) per fornire segnali a gran parte dei suoi rivelatori di particelle. Come una grande onda che si infrange sugli scogli, questi spruzzi di particelle sono generati quando i protoni che circolano in LHC vengono fatti collidere su dei collimatori, generando degli sciami di particelle che vanno a colpire grandi porzioni dell’esperimento. Lo studio dei segnali prodotti nei rivelatori dal passaggio di queste particelle è utilizzato dai fisici di ATLAS per verificare il  funzionamento e la corretta sincronizzazione tra tutte le componenti dell’esperimento. Lo studio della sincronizzazione dei rivelatori, così come la raccolta dei primi dati, rappresenta una delle ultime attività prima dell’inizio della vera presa dati.

Un esempio di “beam splash” osservato dall’esperimento ATLAS è mostrato in Figura 1. Le varie componenti dell’esperimento sono visibili in colori diversi. Le componenti colpite dalle particelle sono rappresentate in giallo, mentre le linee verdi rappresentano le traiettorie delle particelle ricostruite. Durante i “beam splash”, la parte centrale dell’esperimento (il tracciatore) non era accesa per evitare eventuali danni a causa dell’enorme rilascio di energia di questi eventi particolari.

Ad una settimana dai beam splash, dopo altre ottimizzazioni dei parametri dell’acceleratore, le prime frizioni (“collisioni” prodotte dai fasci di prova a bassa energia, da distinguersi dalle vere collisioni che avverranno a partire dalla primavera 2022) sono state effettuate mercoledì 27 Ottobre. I prodotti di queste prime frizioni sono stati registrati correttamente da tutti i rivelatori dell’esperimento ATLAS. Altre sessioni con frizioni a bassa energia in tutti e quattro gli esperimenti di LHC si sono susseguite nei giorni successivi.

Un esempio di come l’esperimento ATLAS visualizza tali frizioni si può osservare in Figura 2. Al centro dell’esperimento è possibile vedere una rappresentazione del tracciatore. I singoli componenti dei rivelatori colpiti dalle particelle sono mostrati come punti colorati, mentre le traiettorie delle particelle ricostruite combinando i punti del loro passaggio sono segnalate come linee colorate. Uscendo verso l’esterno della figura, sono mostrati il calorimetro elettromagnetico (in verde) e quello adronico (in rosso). I depositi di energia lasciati dalle particelle che hanno attraversato questi rivelatori sono mostrati in giallo. Nella parte più esterna dell’esperimento (in blu) è mostrato lo spettrometro a muoni. Anche in questo caso, i particolari componenti del rivelatore colpiti dalle particelle sono mostrati in giallo, mentre le traiettorie ricostruite dei muoni sono visibili come linee verdi (alcune parti dello spettrometro a muoni erano spente siccome ancora in manutenzione).

Rivivere l’accensione della catena di presa dati e riassaporare le prime interazioni con tutto il gruppo che lavora all’ esperimento (sia nella sala di controllo sia a distanza), e vedere i primi dati raccolti e mostrati dai proiettori nella sala di controllo è stato molto emozionante. Si è trattato di un momento di gioia atteso da parte di tutta la collaborazione ATLAS: per i veterani ha ravvivato il ricordo della prima ed emozionantissima presa dati nel 2010, per gli studenti nuovi arrivati è stata l’occasione di vedere l’esperimento in funzione e di analizzare i primi dati raccolti, utili soprattutto per studi sulle prestazioni dei vari rivelatori. È stata anche la prima occasione di utilizzare le parti nuove dell’esperimento, aggiunte durante gli anni di manutenzione intercorsi dalla precedente presa dati.

Le prove effettuate durante il “pilot beam” confermano la qualità di tutto il lavoro svolto finora e che ATLAS è pronto ad affrontare il nuovo ed eccitante periodo di presa dati.

Testo a cura di Silvia Franchino (Heidelberg Kirchhoff Inst. Phys.) e Simone Sottocornola (INFN e Università Pavia).

By Alessandro Lapertosa