Metodologie per la ricostruzione di un evento di collisione

Una delle questioni che naturalmente emerge osservando la natura che ci circonda è come, nel corso dell’evoluzione dell’universo, la materia si sia sviluppata attraverso i diversi stati di aggregazione. Se nell’universo attuale sussistono strutture macroscopiche, nell’universo primordiale queste non esistevano. Durante i primi istanti di vita dell’universo, infatti, non comparivano né molecole, né atomi, né particelle composte come quelle che sappiamo oggi costituire il nucleo atomico, ovvero protoni e neutroni (nucleoni). Questi ultimi erano infatti “disciolti” in un plasma composto dai loro costituenti elementari (Quark-Gluon Plasma, QGP), i quark (che, insieme con gli elettroni, rappresentano ad oggi i mattoni ultimi sui quali è costruita la materia ordinaria) e i gluoni, particelle elementari che veicolano le interazioni forti, responsabili della struttura nucleare.

Al fine di studiare la transizione verso i primi stati aggregati, ovvero nucleoni e nuclei, è operante al CERN di Ginevra l’esperimento ALICE, installato presso il Large Hadron Collider (LHC) in cui, attraverso la collisione di ioni di Piombo, vengono ricreate condizioni di densità ed energia prossime a quelle occorse durante i primi istanti di vita dell’universo.

Fig.1 L’evoluzione della materia a partire dai primi istanti di vita dell’universo. Nella prima fase, quark e gluoni compaiono come campi liberi, deconfinati in un plasma, e non aggregati nelle particelle che costituiranno in seguito la materia barionica.

Lo stato prodotto nella collisione, infatti, mima le condizioni presenti subito dopo il Big Bang. Per studiarne le caratteristiche e per comprendere le dinamiche in atto in queste circostanze estreme l’esperimento ALICE rivela ed analizza le particelle che in esso vengono prodotte.

Il CREF ha contribuito significativamente alla realizzazione del rivelatore ALICE. In particolare, ha avuto un ruolo rilevante nella costruzione del rivelatore del tempo di volo (TOF, time of flight, basato su una tecnologia analoga a quella usata nelle camere del Progetto EEE, le Multigap-Resistive Plate Chambers).

Fig. 2 Il rivelatore del tempo di volo dell’esperimento ALICE al CERN.

Ad oggi, l’attività del CREF è indirizzata verso lo studio della produzione di adroni leggeri. Studiandone, infatti, le caratteristiche cinematiche è possibile dedurre informazioni sulle dinamiche in atto subito dopo la collisione, verificando, ad esempio, l’insorgenza della fase deconfinata di QGP. A tal fine, vengono analizzate le tracce di particelle cariche rivelate con il TOF e con gli altri rivelatori necessari al tracciamento e all’identificazione (l’Inner Tracking System e la Time-Projection Chamber). La ricostruzione di un evento di collisione richiede lo sviluppo di sofisticati algoritmi di analisi, data la complessità degli eventi prodotti, nei quali vengono create anche migliaia di tracce. In questo scenario, gioca un ruolo di primo piano lo sviluppo di tecnologie di analisi all’avanguardia, che il Centro Fermi si propone di sviluppare. La complessità dei set di dati raccolti rappresenta infatti uno scenario d’elezione per lo sviluppo e il test di metodologie moderne quali quelle basate su intelligenza artificiale e Machine Learning.

https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider

https://home.cern/science/experiments/alice