Fisica: l’acceleratore giapponese SuperKEKB conquista il record mondiale di luminosità

La luminosità istantanea è una grandezza fondamentale per un acceleratore di particelle perché è legata al numero di collisioni

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L’acceleratore SuperKEKB, al laboratorio KEK, a Tsukuba in Giappone ha stabilito un nuovo record mondiale di luminosità, raggiungendo i 2,4×1034 cm-2 s-1, e superando così il precedente record di 2,14×1034 cm-2 s-1 ottenuto nel 2018 e detenuto fino ad ora dall’acceleratore LHC del CERN. La luminosità istantanea è una grandezza fondamentale per un acceleratore di particelle perché è legata al numero di collisioni: indica, infatti, il numero di particelle collidenti per unità di tempo per unità di area (sezione d’urto). Insomma, maggiore è la luminosità, maggiore è il numero di eventi potenzialmente interessanti da studiare. In SuperKEKB avvengono collisioni tra elettroni e positroni a un’energia che consente la produzione copiosa di mesoni B, D e di leptoni tau. Il rivelatore Belle II, collocato lungo l’anello dell’acceleratore, ha come obbiettivo principale la ricerca di effetti di nuova fisica, al di là del Modello Standard, nella produzione e nel decadimento di queste particelle.

Per raggiungere l’alta luminosità SuperKEKB ha adottato un innovativo schema a nano-beam, secondo il quale si fanno collidere fasci di elettroni e positroni organizzati in pacchetti lunghi ed estremamente sottili che si scontrano con un angolo d’incrocio relativamente grande. Questo record di luminosità è stato ottenuto integrando lo schema a nano-beam con il crab-waist, una tecnica quest’ultima che consente di contenere la distribuzione nello spazio delle fasi delle particelle nei fasci che interagiscono e di stabilizzare così le collisioni.

I concetti di nano-beam e di crab-waist sono stati concepiti e messi a punto, oltre una decina di anni fa,  grazie all’approccio originale del gruppo di fisica degli acceleratori dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) dell’INFN, allora guidato dal fisico italiano Pantaleo Raimondi”, spiega Paolo Branchini, ricercatore INFN e responsabile nazionale di Belle II. “L’efficacia di questi nuovi concetti nell’aumentare la luminosità e nel contenere il rumore che incide sul rilevatore è stata dimostrata sperimentalmente negli anni 2007-2009 sul collisore italiano DAFNE ai LNF, e gli schemi di collisione nano-beam e crab-waist di DAFNE sono stati poi integrati con successo con il complesso apparato dell’esperimento KLOE2, cui DAFNE ha fornito dati per tre anni”. “Il record ottenuto a SuperKEKB conferma ora queste tecniche come molto promettenti per i progetti di sviluppo di future macchine acceleratrici”, conclude Branchini.

Grazie alle prestazioni di SuperKEKB, in circa 10 anni di presa dati l’esperimento Belle II accumulerà, rispetto ai suoi predecessori Belle e Babar, una luminosità integrata 50 volte maggiore, corrispondente alla produzione di 50 miliardi di coppie di mesoni B”, sottolinea Ezio Torassa, ricercatore INFN e membro dell’Executive Board di Belle II.  Sebbene il Modello Standard descriva correttamente il comportamento delle particelle sub-atomiche note, esistono numerose teorie che predicono l’esistenza di nuove particelle e ci sono osservazioni di natura astrofisica che suggeriscono l’esistenza di materia ed energia oscure. Inoltre, è tutt’ora aperta la questione di quale sia l’origine dell’asimmetria materia-antimateria nell’universo. “Nuove particelle con massa molto grande  – prosegue Torassa –  possono essere prodotte direttamente se si dispone di energia sufficiente, oppure possono essere osservate indirettamente attraverso gli effetti quantistici con cui modificano i processi di produzione e decadimento delle particelle già note: questo secondo approccio è quello seguito da SuperKEKB e Belle II”. “Questi effetti quantistici sono tanto più sottili quanto è maggiore la massa della nuova particella che li causa ed è quindi necessaria una grande quantità di dati per osservarli, per cui la luminosità fornita dal collisore è un fattore cruciale in questa ricerca”, conclude Torassa

I dati raccolti fino ad ora hanno già permesso a Belle II di porre un limite interessante nell’ambito della ricerca della materia oscura e i primi risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letter lo scorso aprile.