Alla ricerca di particelle strane in ALICE
ALICE (A Large Ion Collider Experiment), uno dei quattro grandi esperimenti al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, è stato progettato per studiare le caratteristiche del plasma di quark e gluoni (QGP), uno stato della materia che si ritiene esistesse pochi microsecondi dopo il Big Bang e che viene ricreato tramite le collisioni di ioni pesanti, in particolare piombo-piombo, alle energie estreme di LHC. Inoltre ALICE studia anche le collisioni protone–protone e protone-piombo, che principalmente forniscono dei dati di riferimento per le collisioni di ioni pesanti, ma che consentono anche un certo numero di studi specifici. In particolare il rivelatore ALICE è stato progettato per far fronte all’altissimo numero di particelle previsto in collisioni tra nuclei di piombo alle energie estreme di LHC.
L’esercizio proposto consiste nella ricerca di particelle strane (cioè dotate del numero quantico di stranezza) prodotte da collisioni a LHC e registrate dall’esperimento ALICE. Tale ricerca si basa sul riconoscimento di due tipi di decadimento: i “V0”, come Ks0→ π+π– e Λ→ p + π–, e i “cascade” (dall’inglese “a cascata”) come Ξ– → Λ + π– (seguito dal decadimento Λ → p + π–). L’identificazione delle particelle strane è basata sulla configurazione geometrica dei loro decadimenti combinata con l’identificazione delle particelle prodotte; le informazioni sulle tracce sono usate per calcolare la massa invariante della particella decaduta, come ulteriore conferma del tipo di particella identificata.
Le particelle strane
Le particelle strane sono adroni contenenti almeno un quark strano, e come quest’ultimo sono caratterizzate da un numero quantico chiamato “stranezza”. Tra gli adroni distinguiamo poi i mesoni (formati da un quark e un antiquark) e i barioni (formati da tre quark). Il mesone strano neutro più leggero è la Ks0(ds-bar) , mentre il barione strano neutro più leggero è la Λ (uds). I barioni strani sono anche noti come iperoni. Per rivelare le particelle studieremo i loro decadimenti, per esempio Ks0→ π+π– oppure Λ→ p + π–. In questi decadimenti il numero quantico di stranezza non viene conservato, dato che i prodotti finali di decadimento sono composti solo da quark up e down. Perciò essi non sono “decadimenti forti”, che conservano la stranezza e sono molto veloci, con una vita media τ = 10-23 s, ma invece “decadimenti deboli”, nei quali la stranezza può essere conservata (ΔS=0) oppure cambiare di 1 (ΔS=1). Tali decadimenti deboli sono molto più lenti, e la loro vita media τ si aggira tra 10-8 s e 10-10 s. Per particelle che viaggiano a velocità prossima a quella della luce, questo significa che la particella decade a una distanza (in media) di qualche cm dal punto di produzione (cioè dal punto dell’interazione protone–protone o nucleo-nucleo).
Come cerchiamo le particelle strane
Le particelle strane vivono abbastanza a lungo da poter percorrere qualche cm di distanza dal punto di interazione (IP), dove esse sono state prodotte. La loro ricerca si basa quindi sull’identificazione dei loro prodotti di decadimento, che devono avere origine da un vertice secondario in comune. Particelle strane neutre, come i kaoni e le lambda, decadono dando origine a una configurazione caratteristica, chiamata V0. La particella “madre” decade ad una distanza di alcuni cm dal punto d’interazione, e due particelle di carica opposta appaiono al suo posto, incurvate in direzioni opposte dentro il campo magnetico del solenoide di ALICE. Nella figura seguente la traccia rossa indica una particelle di carica positiva; la traccia verde indica una particella di carica negativa.
Per uno stato finale pione-pione la configurazione di decadimento è quasi simmetrica, mentre invece per lo stato finale pione-protone il raggio di curvatura del protone è più grande di quello del pione; infatti a causa della sua massa più grande il protone trasporta la maggior parte della quantità di moto iniziale.
Esercizio 1 – Analizzare gli eventi e identificare gli adroni strani
L’esercizio viene svolto in un’applicazione web, che assomiglia molto al display degli eventi di ALICE. È necessario aprire il proprio browser web preferito sul computer e seguire questo link.
La fase di analisi consiste nell’identificazione e nel conteggio delle particelle strane in un determinato campione di eventi, che tipicamente contiene 30 eventi. All’avvio dell’esercizio, è necessario selezionare il dataset da analizzare. Attualmente sono disponibili 19 dataset diversi contenenti dati di collisioni protone-protone a un’energia nel centro di massa di 7 TeV. Osservando il display di ogni evento, è necessario inizialmente cliccare sulle caselle cluster e tracce; in questo modo si può valutare la complessità degli eventi e l’elevato numero di tracce prodotte dalle collisioni all’interno dei rivelatori. La maggior parte di queste tracce corrisponde a pioni. Cliccando sulla casella “Decays”, vengono evidenziate le tracce derivanti da decadimenti di tipo V0 (se presenti) e da decadimenti a cascata (se presenti). Dalla topologia di un decadimento è possibile ipotizzare la particella madre. Osservando i prodotti di decadimento, si può formulare un’ipotesi sulla particella madre; per confermarla, si calcola la massa invariante e si confronta il valore ottenuto con quelli presenti nella tabella della calcolatrice.
Perché contiamo le particelle strane ?
Uno dei segnali sperimentali della formazione del plasma di quark e gluoni si basa sull’idea di “aumento di stranezza”. L’abbondanza, infatti, di quark strani è sensibile alle condizioni, alla struttura e alla dinamica della materia nella fase deconfinata, e se il loro numero di quark strani è grande si può allora ipotizzare che le condizioni per il deconfinamento siano state raggiunte. In pratica, l’aumento di stranezza si può osservare contando il numero di particelle strane, cioè di particelle che contengono almeno un quark strano, e poi calcolando il rapporto tra particelle strane e non strane. Per le collisioni di ioni di piombo, il numero di particelle strane è normalizzato al numero di nucleoni (protoni e neutroni) partecipanti nell’interazione e confrontata con lo stesso rapporto misurato per le collisioni di protoni.
Esercizio 2 – Analisi su grande statistica
Il display degli eventi è uno strumento potente per verificare la qualità dei dati e la loro ricostruzione, oltre a fornire un’idea visiva della natura degli eventi. Tuttavia, nella realtà, l’analisi dei dati non viene eseguita visivamente, poiché ciò sarebbe eccessivamente laborioso e dispendioso in termini di tempo. Per analizzare i milioni di eventi raccolti quotidianamente al LHC, si utilizzano programmi di elaborazione, e in questo esercizio verrà applicato lo stesso approccio per identificare le particelle strane in un campione più ampio di eventi. Utilizzando la stessa applicazione web del primo esercizio è possibile visualizzare le registrazioni di centinaia di eventi contemporaneamente selezionando il pulsante “Large Scale Analysis”. Dopo aver selezionato la particella e la centralità, selezionando “Plot Invariant Mass” viene visualizzata la relativa distribuzione della massa invariante. La distribuzione in massa invariante mostra un picco associato al segnale della particella desiderata sopra un fondo di eventi casuali. Per identificare correttamente il numero di particelle, si esegue una sottrazione del fondo tramite il fitting di una curva (polinomiale di secondo grado) per modellare il fondo, e una distribuzione gaussiana per il segnale. Aggregando i risultati delle analisi di tutte le particelle in tutte le centralità, sarà possibile riprodurre i risultati pubblicati da ALICE, come quello visualizzato qui sotto.
Ulteriori informazioni
La descrizione dettagliata degli esercizi e ulteriori informazioni in inglese sono disponibili sul sito ufficiale delle masterclass di ALICE.