Coordinatore: Gianluca Usai
Stanza: 2B25
Telefono: + 39 070 675 4906
EMail: gianluca.usai@ca.infn.it
Sito Web Gruppo3
Le attività di ricerca del terzo gruppo sono coordinate a livello nazionale dalla Commissione Scientifica Nazionale 3. Dal 1989 il gruppo di Fisica Nucleare della Sezione di Cagliari si occupa di ricerca nel campo della fisica nucleare sperimentale, nell’ambito di collaborazioni internazionali.
Attualmente si occupa di ricerche nell’ambito della fisica delle collisioni tra ioni pesanti ad energie ultrarelativistiche, e collabora agli esperimenti del CERN
Il gruppo partecipa inoltre al progetto per lo studio di sciami prodotti da raggi cosmici ultra-energetici:
Nell’ambito di questi esperimenti le principali attività alle quali il gruppo partecipa sono lo sviluppo di rivelatori e dell’elettronica ad essi associata, e di software per simulazioni e analisi dati. Una lista delle pubblicazioni può essere trovata con il motore di ricerca SPIRES.
Il gruppo comprende 6 fisici staff e attualmente altre 5 persone fra borsisti, assegnisti, dottorandi. Numerosi sono anche i laureandi che hanno svolto attività di tesi sui vari progetti in cui siamo coinvolti.
ALICE
(A Large Ion Collider Experiment) è un esperimento che si svolge all’acceleratore LHC del CERN, dedicato allo studio della materia prodotta in collisioni tra ioni pesanti. Si tratta di una collaborazione internazionale, che coinvolge quasi 1000 ricercatori da 80 diversi istituti.
Il gruppo di Fisica Nucleare della sezione di Cagliari è impegnato nello sviluppo del software e nell’analisi dei dati dell’esperimento, oltre che nello sviluppo di due rivelatori: un sistema di camere traccianti per lo spettrometro per muoni e un sistema di calorimetri a zero gradi ZDC.
CAMERE DI TRACCIAMENTO DELLO SPETTROMETRO PER MUONI DI ALICE
Nell’ambito dell’esperimento ALICE, attualmente in corso di istallazione presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, il gruppo partecipa alla 
realizzazione del sistema di tracciamento per muoni.
Si tratta di un sistema di dieci piani di camere proporzionali multifilo, collocate da un lato rispetto alla sezione centrale (barrel) dell’apparato, con diametro fino a 5m, il cui scopo è quello di ricostruire le tracce muoniche deflesse da un magnete dipolare, per la misura del loro impulso.
Lo studio dei muoni nell’ambito della fisica degli ioni pesanti, è di estrema importanza per individuare i segnali di formazione del Quark Gluon Plasma(QGP).
Il sistema è formato da 160 moduli di rivelatore indipendenti con dimensioni fino a 2.40m, parte dei quali sono stati assemblati e collaudati presso la sezione di Cagliari dell’INFN. Il gruppo collabora su questa attività con istituti francesi, russi, indiani e sudafricani.
Nell’ambito di questo progetto, ci siamo occupati anche di sviluppare direttamente i circuiti stampati che costituiscono i piani catodici per le camere, il circuito di readout digitale dei rivelatori e il sistema di controllo delle alte e basse tensioni. Il gruppo partecipa inotre allo sviluppo del trigger di alto livello (HLT), basato sui segnali provenienti dalle camere di tracciamento e da quelle di trigger, il cui scopo è quello di migliorare la selezione dei muoni con elevato impulso trasverso.
Questa attività coinvolge il gruppo dal 1998 e ha visto impegnati circa 10 collaboratori fra Fisici, Tecnici, Dottorandi, Borsisti e Assegnisti.
ZDC
Il sistema dei calorimetri a zero gradi di ALICE (ZDC) è sotto responsabilità italiana e coinvolge le sezioni INFN di Alessandria, Cagliari e Torino.
Il progetto ZDC consiste in 2 coppie di calorimetri adronici e una coppia di calorimetri elettromagnetici. Ciascuna coppia di calorimetri adronici è posta a 116 m di distanza dal punto di interazione e serve a rivelare l’energia portata dai nucleoni (protoni e neutroni, separati dagli elementi magnetici del collisionatore LHC) che non hanno partecipato alla collisione. L’energia raccolta dai calorimetri è proporzionale al parametro di impatto evento per evento e fornirà il trigger di centralitàdell’esperimento ALICE.
E’ inoltre previsto un sistema di scintillatori, collocati sopra e sotto ogni calorimetro, per calibrazione con i cosmici.
Dopo una fase di ricerca e sviluppo che si è protratta sino alla prima metà del 2001, si è passati alla fase costruttiva dei rivelatori finali: due rivelatori per neutroni (ZN1 e ZN2) e due per protoni (ZP1 e ZP2).
Si tratta di calorimetri in cui fibre di quarzo vengono inserite in una matrice di materiale pesante (lega di tungsteno per gli ZN e ottone per gli ZP). I segnali vengono trasportati dalle fibre di quarzo verso dei fotomoltiplicatori che convertono la luce in segnale elettrico.
Nell’ambito di questo progetto il gruppo di Cagliari ha partecipato a tutte le fasi di progettazione, costruzione e test dei prototipi e dei rivelatori definitivi, che ha comportato la preparazione di parti degli apparati in sede, prima dell’assemblaggio al CERN.
ANALISI DATI
Nel corso della realizzazione di ALICE abbiamo lavorato allo sviluppo degli strumenti software per la simulazione, la ricostruzione e l’analisi dei dati, e alla valutazione delle prestazioni dell’apparato per la misura di alcuni canali di fisica particolarmente rilevanti.
Riportiamo una lista dei principali contributi:
- è stata inserita la geometria dell’apparato nel programma di simulazione ed è stata scritta una prima versione del software per la ricostruzione dei cluster nelle camere traccianti;
- è stato sviluppato un sistema di simulazione veloce mediante la parametrizzazione della risposta dello spettrometro basata su lookup tables;
- sono state studiate le prestazioni dell’apparato per stabilire l’accuratezza aspettata nella misura delle distribuzioni di impulso trasverso per i quarkonia in collisioni centrali Pb-Pb;
- sono stati sviluppati dei generatori Monte-Carlo dedicati;
- sono stati studiati i processi che contribuiscono allo spettro di massa dei dimuoni in collisioni p-p, con particolare attenzione alla regione del continuo e al fondo scorrelato;
- è stata studiata la sottrazione del fondo combinatoriale mediante tecniche di event mixing, e scritto il relativo codice;
- vengono studiati algoritmi di deconvoluzione per il miglioramento della risoluzione in massa invariante dei dimuoni;
- viene sviluppato il codice per le correzioni di accettanza ed efficienza nel correction framework di ALICE.
Diversi argomenti trattati sono stati oggetto di tesi di laurea triennale, specialistica e di dottorato.
NA60
Misure di muoni ad alta precisione in collisioni tra ioni: l’esperimento NA60
L’esperimento NA60 ha misurato al Super Proto Sincrotrone (SPS) del CERNcoppie di muoni, prodotte in collisioni tra ioni pesanti ultrarelativistici, con una precisione senza precedenti.
Lo scopo di queste misure è di dimostrare l’esistenza di uno stato della materia noto come “Quark Gluon Plasma” e stabilire le proprietà della materia adronica in condizioni di temperatura e pressione estreme. I dati sono stati raccolti tra il 2002 ed il 2004 e la loro analisi è ancora in corso.
Il nostro gruppo ha partecipato all’esperimento con varie responsabilità; dal 2005, inoltre, il ruolo di spokesman dell’esperimento è ricoperto da un membro del nostro gruppo. Inizialmente abbiamo partecipato allo sviluppo del rivelatore più innovativo dell’esperimento (il rivelatore di vertice a pixel di silicio resistenti alle radiazioni) e ci siamo occupati dell’elettronica di readout dell’intero esperimento. Successivamente abbiamo portato avanti diverse analisi, occupandoci in particolare della misura di molteplicità di particelle cariche e della produzione di mesone phi.
ELETTRONICA
Gli esperimenti di fisica delle alte energia spesso richiedono una elettronica “su misura” (custom) per la lettura dei dati dai rivelatori e la loro processazione. Il nostro gruppo è impegnato anche dello sviluppo di queti moduli.
Tra gli ultimi progetti realizzati, rientrano:
- Una scheda PCI “general purpose” e diverse schede figlie per il readout dell’esperimento NA60
- Un circuito integrato in tecnologia VLSI per la lettura dei dati delle camere per muoni dell’esperimento ALICE
- Un sistema di acquisizione VME per i calorimetri a zero gradi dell’esperimento ALICE
PROGETTO EXTREME ENERGY EVENTS (EEE)
Il gruppo è coinvolto dal 2006 nel progetto EEE, il cui scopo è lo studio di muoni, appartenenti a sciami cosmici, attraverso una catena di rivelatori istallati presso scuole superiori italiane. Il progetto, ideato e guidato dal Prof. A. Zichichi, si propone di rivelare e studiare gli sciami di elevatissime energie (fino a 1020 eV), attraverso la rivelazione simultanea di muoni sui rivelatori attivi.
Questo progetto è l’occasione per coinvolgere gli studenti degli isitituti superiori in un vero e proprio esperimento di fisica delle particelle, dalla fase di assemblaggio dei rivelatori, a quella di istallazione, raccolta dati, analisi.
I rivelatori impiegati sono MRPC (Multigap Resistive Plate Chambers), del tutto simili a quelli impigati per il sistema di misura del tempo di volo (TOF) dell’esperimento ALICE.
A Cagliari le scuole coinvolte nel progetto sono i licei scientifici Alberti, Michelangelo e Pacinotti. A partire dal mese di aprile 2008 sono stati istallati i rivelatori del Pacinotti e del Michelangelo ed assemblato il rivelatore per l’Alberti.
Nell’Aprile del 2009 i due primi rivelatori hanno cominciato a prendere dati regolarmente.
Gli studenti hanno partecipato insieme ai loro docenti, ed ai ricercatori e tecnici INFN alle fasi di assemblaggio di uno dei telescopi nel mese di Marzo 2009 (foto).
La sezione, e il nostro gruppo in particolare, ha il ruolo di coordinamento locale del progetto, partecipa alle varie fasi e guida docenti e studenti nelle diverse attività. Ha inoltre un ruolo decisivo nelle attività di analisi dati.
Su questo progetto, attualmente in piena fase di funzionamento, sono disponibili tesi di laurea triennali e magistrali sia sulla parte dedicata al rivelatore che sulla analisi dati. Per maggiori informazioni rivolgersi a corrado.cicalo@ca.infn.it