ePIC

I rivelatori moderni per la fisica delle particelle sono strumenti complessi e altamente integrati, che operano ai limiti di ciò che è tecnologicamente possibile.
 ePIC (Figura 1) sarà un rivelatore cilindrico lungo circa 10 metri, con un cilindro centrale e strumenti addizionali più piccoli che si estenderanno fino a 45 metri in entrambe le direzioni lungo la linea di fascio dell’EIC. Utilizzerà tecnologie d’avanguardia per rivelare le particelle prodotte nelle collisioni tra elettroni ad alta energia e protoni (Figura 2) o ioni pesanti, che si muoveranno a velocità prossime a quella della luce.

Gli obiettivi di fisica di ePIC sono legati alla comprensione della struttura profonda della materia nucleare e dell’interazione forte.

1.      Quark e gluoni: origine e struttura della materia visibile

I protoni e i neutroni sono composti da quark e gluoni (globalmente chiamati partoni), le particelle fondamentali che interagiscono attraverso la forza forte descritta dalla cromodinamica quantistica, o QCD. Tuttavia, il 99% della massa dei nucleoni non deriva dalla massa dei quark, ma dall’energia del campo di gluoni che li confina.
L’EIC permetterà di osservare come si combinano questi costituenti fondamentali per formare particelle come protoni e neutroni e di comprendere meglio la forza forte, una delle quattro forze fondamentali della natura, responsabile della coesione dei nuclei atomici.

2. Immagini 3D ad alta precisione del protone

Grazie all’EIC sarà possibile sondare le profondità della materia usando reazioni di diffusione inelastica profonda (o Deep Inelastic Scattering), in cui gli elettroni scambiano fotoni di alta energia con i costituenti partonici permettendo così di “vedere” all’interno dei nucleoni e di esplorare il “mare di gluoni”. Uno degli obiettivi principali sarà studiare nel dettaglio le distribuzioni in spazio e in momento di quark e gluoni, realizzando delle vere e proprie mappe tomografiche tridimensionali dei partoni all’interno di protoni e nuclei.

3. Il mistero dello spin del protone

L’EIC sarà il primo collisore polarizzato nella storia, in cui sia elettroni sia protoni avranno lo spin allineato in modo controllato, saranno cioè polarizzati. Ciò consentirà misure di alta precisione sul contributo di quark e gluoni allo spin intrinseco del protone. Finora, solo 1/3 dello spin era attribuito ai quark, mentre i gluoni sembrano contribuire in modo significativo e sorprendente. L’EIC potrà risolvere questo enigma.

4. Ricerca della saturazione dei gluoni

A energie elevate, i gluoni possono proliferare rapidamente fino a raggiungere un regime di saturazione, creando un possibile stato di materia chiamato condensato di vetro colorato (Color Glass Condensate - CGC).
L’EIC cercherà prove definitive di questa forma estrema di materia fortemente interagente e studierà i meccanismi che regolano la crescita della popolazione dei gluoni nel protone, il tutto misurando campi di gluoni tra i più intensi in natura.

ePIC a Bologna

Il gruppo di Bologna contribuisce in prima linea al rivelatore dual-radiator RICH di ePIC, uno dei sistemi chiave per l’identificazione di particelle cariche, collocato nella regione in avanti dell’esperimento (ref. Figura 1). Il contributo bolognese include lo sviluppo di prototipi del rivelatore basati su innovativi sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), il design del piano di lettura ottica, la conduzione di test avanzati sul prototipo per garantirne la stabilità, l’integrazione dell’elettronica di lettura e del sistema di raffreddamento. L’impegno del gruppo è importante, e copre l’intero ciclo dalla produzione alla validazione sperimentale, fino all’informatica associata.

I membri del gruppo si occupano inoltre di analisi di dati da test su fascio, simulazioni di processi di fisica a EIC e studio delle performance del rivelatore per i canali di fisica di interesse.