Scientia

La acceleratorul DAFNE de la Institutul LNF-INFN de la Frascati (Roma) va începe în curând o perioadă intensă de măsurători în cadrul proiectului KLOE, care are o serie de obiective foarte ambiţioase, printre care şi rezolvarea misterului dispariţiei antimateriei.

Vă prezentăm, pe scurt, acest accelerator, precum şi proiectele aflate în derulare, folosind particulele generate la DAFNE, particule care, cum vom vedea, conţin quarcuri din a doua familie a Modelului Standard.


Acceleratorul DAFNE, pe scurt

Acceleratorul DAFNE de la Laboratori Nazionali di Frascati, LNF-INFN, aflat la circa 30 de km sud-est de Roma, este unul dintre acceleratoare cele mai performante la nivel mondial care funcţionează pentru cercetări în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare cu particule ce conţin quarcuri “strange”, quarcuri din a doua familie a Modelului Standard al fizicii particulelor elementare, de mai bine de 10 ani.


DAFNE (Double Anular Factory for Nice Experiments)  este alcătuit din două inele, fiecare cu o lungime de circa 100 de metri, în care circulă miliarde de electroni (într-unul din inele) şi miliarde de pozitroni (sau antielectroni, în celălalt inel).

Aceste două inele se intersectează în două puncte şi într-unul din aceste puncte (Interaction Region) cele două fascicule se întâlnesc, având loc procese de anihilare care generează, ţinând cont de conservarea energiei, E=mc², particule care conţin quarcuri “strange” (s).

Particulele generate sunt kaonii, ce fac parte din familia mezonilor, şi sunt alcătuiţi dintr-un quarc şi un anti-quarc, unul din cei doi fiind “strange”. Kaonii provin din procesul de dezintegrare a particulei phi, cea care apare în urma anihilării electronilor şi a pozitronilor. Pentru a genera aceste particule phi, energia fiecăruia din cele doua fascicule de la DAFNE are valoarea bine definită de 510 MeV (jumătate din masa lui phi).

Particulele phi se dezintegrează practic imediat după formare, generând în starea finală perechi de kaoni (cu sarcină electrică sau neutri). Aceşti kaoni au o energie cinetică mică (un impuls de circa 127 MeV/c, cei cu sarcină electrică), ceea ce este un avantaj enorm în studiul anumitor procese (de exemplu cele care necesită oprirea acestor kaoni în diverse ţinte nucleare).

La ora actuală DAFNE este singurul accelerator din lume capabil să producă aceste fascicule de kaoni cu energie joasă şi cu caracteristici de puritate şi “monocromaticitate” (valori ale impulsului strâns grupate în jurul valorii centrale) extrem de performante.

Pentru a reuşi această performanţă, DAFNE utilizează mai bine de 200 de magneţi de diverse tipuri (dipoli, cvadrupli, sextupli, cavităţi de radiofrecvenţă etc.) instalaţi în spaţiul limitat de care dispune.

Se poate afirma că magneţii de la DAFNE reprezintă osatura (deoarece numărul de oase din corpul uman este mai mult sau mai puţin egal cu cel al numărului magneţilor din DAFNE) acceleratorului şi că funcţionarea acestuia în mod optimal se face cu armonizarea funcţionării acestei osaturi – proces dificil, în care grupul de la DAFNE, o şcoală de fizica acceleratorilor recunoscută la nivel mondial, a reuşit performanţe unice. De menţionat că tehnica ciocnirilor fasciculelor de particule de tip “cap-în-cap”, head-on collision, s-a născut şi a fost realizată pentru prima dată în lume la Frascati, în cadrul proiectului ADA, în anii 1960.


Experimentul KLOE

Kaonii sunt particule extrem de interesant de studiat (de menţionat că în natură se produc, de exemplu, în urma proceselor de interacţiune a razelor cosmice cu nucleele din atmosferă, însă sunt foarte rare – de unde rezultă necesitatea de a le produce şi studia la acceleratoarele de particule), din multe puncte de vedere.

Experimentul KLOE, care a acumulat deja date în perioada 2000 – 2005, este la ora actuală instalat la DAFNE, cu un aparat mai performant ca în trecut, pentru a măsura multe procese interesante.

Printre acestea menţionăm studiul dezintegrării kaonilor neutri, care are drept obiective: măsurători de mecanică cuantică în sisteme inseparabile ("entangled"), ce conţin particule care au masă, măsurători de asimetrii (violarea parităţii CP) în dezintegrările kaonilor neutri faţă de cele ale antikaonilor neutri, ceea ce ar duce la o mai bună înţelegere a misterului dispariţiei antimateriei în Univers (având în vedere ipoteza că în momentul Big Bangului materia şi antimateria ar fi fost generate în cantităţi egale).


Alte proiecte la DAFNE

Proiectul FINUDA a achiziţionat date în perioade dedicate din 2000 până în 2006, cu obiectivul de a genera şi studia nuclee care conţin quarcul “strange”, aşa-numitele hiper-nuclee; studiul acestora permite înţelegerea multor mistere care învăluiesc încă structura materiei nucleare.

Proiectul SIDDHARTA studiază atomi kaonici, unde un kaon cu sarcină electrică negativă înlocuieşte un electron într-un atom normal, cu obiectivul de a înţelege mistere legate de interacţiunea tare (QCD) între quarcuri, în particular în sisteme care conţin quarcul “strange” (kaonii) la energii joase (extrem de joase), în aşa-numitul regim neperturbativ.

Obiectivul este, printre altele, de a găsi un răspuns la întrebarea (aparent banală): cum este alcătuit un nucleon (de exemplu un proton)? Cine dă masa acestuia? Mecanismul Higgs dă un răspuns parţial (masa particulelor individuale) – protonul însă apare ca un “ghem” de quarcuri şi gluoni, care aşteaptă încă să fie înţeles. SIDDHARTA a achiziţionat date în 2009 şi la ora actuală, pe lângă analiza acestor date, este în faza de optimizare şi îmbunătăţire a aparatului experimental pentru o nouă achiziţie de date în anii care urmează. Vom reveni asupra acestui subiect.


DAFNE în lume

La ora actuală, DAFNE nu are rivali în lume în studiul proceselor cu kaoni cu sarcină electrică şi neutri de energie joasă. Există alte acceleratoare, cum ar fi J-PARC în Japonia, care ar urma să genereze kaoni la energii mari; JPARC însă a suferit daune greu de evaluat în urma cutremurului din Japonia din 11 martie 2011. Anumite studii (ca cele efectuate de KLOE, FINUDA şi SIDDHARTA) nu pot fi efectuate la J-PARC sau cel puţin nu cu precizia de la DAFNE.