ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) Pubblicato anche come è uno dei nove rivelatori di particelle costruiti per il Large Hadron Collider (LHC), un acceleratore di particelle al Centro Europeo Ricerche Nucleari (CERN) presso Ginevra. La costruzione di ATLAS è terminata nell'ottobre del 2008 e le prime collisioni fra protoni furono registrate nel novembre del 2009. ATLAS è stato, assieme a CMS, uno dei due esperimenti di LHC che, il 4 luglio 2012, hanno annunciato la scoperta del bosone di Higgs.
Il rivelatore ha una geometria cilindrica, è lungo 44 metri, ha un diametro di 25 metri, pesa circa tonnellate ed è attualmente il più grande spettrometro costruito presso un acceleratore di particelle. L'esperimento è stato progettato per osservare fenomeni che riguardano le particelle elementari, per scoprire nuove particelle a breve vita media e per far luce su teorie di fisica delle particelle oltre il Modello standard.
Ad ATLAS partecipano circa membri, di cui circa fisici (dati del 1 luglio 2026), appartenenti a più di 170 istituti di ricerca da 40 nazioni diverse.
Storia
Nascita degli acceleratori di particelle Il primo acceleratore di particelle, un ciclotrone con un raggio di pochi centimetri e un'energia per particella di 1 MeV, fu costruito da Ernest Orlando Lawrence nel 1931. Da allora, gli acceleratori crebbero enormemente in dimensioni ed energia, per produrre sempre nuove particelle con masse sempre maggiori. Alla crescita delle energie degli acceleratori corrispose un aumento del numero delle particelle conosciute, studiate in dettaglio negli esperimenti di Fisica delle particelle.
La collaborazione ATLAS La collaborazione ATLAS, costituita da gruppi di fisici appartenenti a diverse Università e centri di ricerca che hanno costruito e ora gestiscono il rivelatore, si è formata nel 1992. Due precedenti collaborazioni, EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton and Energy Measurements) e ASCOT (Apparatus with Super COnducting Toroids), si fusero per la costruzione di un unico rivelatore di particelle destinato al nuovo acceleratore, il Large Hadron Collider (LHC).
Progetto e costruzione del rivelatore Il progetto era una combinazione di quelli di due precedenti progetti per LHC, EAGLE e ASCOT, e della ricerca e sviluppo condotte per il rivelatore del Super Collisore Superconduttivo (SSC) statunitense, il cui progetto fu abbandonato nel 1993. L'esperimento ATLAS venne proposto nella sua forma attuale nel 1994, e sovvenzionato ufficialmente dagli stati membri del CERN nel 1995. Altre nazioni, università e laboratori si aggiunsero negli anni seguenti, e ulteriori istituzioni e scienziati continuano ad aggiungersi ancora oggi. L'opera di costruzione incominciò nelle singole istituzioni, con componenti del rivelatore che vennero spediti al CERN e assemblati nella caverna sperimentale di ATLAS a partire dal 2003.
Funzionamento del rivelatore
La costruzione dell'esperimento ATLAS fu completata nel 2008 ed il rivelatore ha registrato i primi dati da singolo fascio di protoni da LHC il 10 settembre 2008. La presa dati fu quindi interrotta per oltre un anno da un incidente all'LHC: lo spegnimento, con effetti distruttivi, di un magnete superconduttore. Il 23 novembre 2009 si ebbero le prime collisioni protone-protone di LHC, registrate anche da ATLAS, ad una energia nel centro di massa, relativamente bassa, di 900 GeV. Da allora, ATLAS ha continuato a registrare eventi di collisioni protone-protone dell'LHC a energie crescenti: 1,8 TeV a fine 2009, 7 TeV nel 2010 e 2011, quindi 8 TeV nel 2012.
Il primo periodo di presa dati, compreso tra il 2010 e il 2013, è detto Run 1. Dopo una interruzione (Long Shutdown LS1) nel 2013 e 2014, si sono raggiunti i 13 TeV nel 2015. Il secondo periodo di presa dati, Run 2, è stato completato a fine 2018 raccogliendo, sempre ad un'energia nel centro di massa di 13 TeV, una luminosità integrata di circa 140/fb (femtobarn inversi). Una seconda interruzione (Long Shutdown LS2) nel periodo 2019 - 2022 ha permesso il miglioramento del rivelatore in vista di un nuovo periodo di presa dati (Run 3), ad un'energia di collisione di 13,6 TeV, iniziato il 5 luglio 2022. Durante Run 3 si sono raccolti 355/fb di dati, più del doppio di quelli disponibili per le analisi prima di Run 3 (Run 1: 25/fb; Run 2: 140/fb), per un totale di 520/fb. Dopo Run 3, terminato il 27 giugno 2026, è iniziato un lungo periodo d'interruzione (Long Shutdown LS3), per permettere l'aggiornamento del rivelatore in vista della presa dati a una luminosità 10 volte maggiore di quella iniziale. HL-LHC (High Luminosity LHC) prevede un Run 4 (2030 - 2033) e un Run 5 (2036 - 2041).
Funzionamento LHC e dati da ATLAS Intervallo temporale Fase del LHC Energia delle collisioni Luminosità integrata Apr 2010 - Gen 2013 Run 1 7 8 TeV 5/fb + 20/fb Feb 2013 - Gen 2015 LS1 Feb 2015 - Nov 2018 Run 2 13 TeV 140/fb Dic 2018 - Giu 2022 LS2 Lug 2022 - Giu 2026 Run 3 13,6 TeV 355/fb Lug 2026 - Giu 2030 LS3 Lug 2030 - Dic 2033 Run 4 13,6 TeV Gen 2034 - Mag 2036 LS4 Giu 2036 - Nov 2041 Run 5 13,6 TeV
Direzione dell'esperimento ATLAS
La collaborazione ATLAS è attualmente guidata da Stephane Willocq, mentre suoi vice sono Anna Sfyrla e Guillaume Unal.
Quali portavoce di ATLAS si sono succeduti: Friedrich Dydak e Peter Jenni (1992 - 1995) Peter Jenni (1995 - 2009) Fabiola Gianotti (2009 - 2013) David Charlton (2013 - 2017) Karl Jakobs (2017 - 2021) Andreas Hoecker (2021 - 2025)Stéphane Willocq (2025 - 2029)
Programma di ricerca Nell'ambito della fisica delle particelle, ATLAS studia diversi tipi di processi rilevati o rilevabili nelle collisioni energetiche del Large Hadron Collider (LHC). Per i processi già noti, si tratta di misurare in modo sempre più accurato le proprietà di particelle conosciute o di trovare conferme quantitative del Modello standard. Processi finora non osservati permetterebbero invece, se rilevati, di scoprire nuove particelle o avere conferma di teorie fisiche che vanno oltre il Modello standard.
Modello standard
In fisica delle particelle, il Modello standard è la teoria fisica che descrive tre delle quattro interazioni fondamentali note: le interazioni forte, elettromagnetica e debole (le ultime due unificate nell'interazione elettrodebole) e tutte le particelle elementari a esse collegate. Le sue previsioni sono state in larga parte verificate sperimentalmente con un'ottima precisione ed esso rappresenta l'attuale modello teorico di riferimento delle forze fondamentali. Tuttavia presenta vari aspetti di incompletezza; in particolare, non comprendendo l'interazione gravitazionale, per la quale non esiste ad oggi una teoria quantistica coerente, non costituisce quella teoria del tutto a lungo ricercata dai fisici.
Misure di precisione Salvo l'importante eccezione del bosone di Higgs, scoperto da ATLAS e CMS nel 2012, tutte le particelle elementari previste dal Modello standard erano già state osservate da esperimenti precedenti. In questo campo, oltre alla scoperta del bosone di Higgs, il lavoro sperimentale di ATLAS si è concentrato su misure di precisione, volte a determinare con sempre maggior accuratezza i molti parametri fisici della teoria. In particolare, per il bosone di Higgs; i bosoni W e Z; i quark top e bottom vengono misurate: la massa; i canali di produzione, di decadimento e le vite medie; i meccanismi d'interazione e le costanti di accoppiamento elettrodebole e forte. Ad esempio, i dati raccolti da ATLAS hanno permesso nel 2018 di misurare la massa (80370±19 MeV) del bosone W, uno dei due mediatori dell'interazione debole, con una incertezza di misura di ±2,4‰.
Bosone di Higgs
Uno degli obiettivi più importanti di ATLAS era quello d'investigare sulla particella mancante del Modello Standard, il bosone Higgs, che non è rivelabile direttamente ma solo tramite l'individuazione delle particelle nelle quali decade. Il meccanismo di Higgs, che include l'esistenza del bosone di Higgs, spiega la massa dei fermioni. Inoltre, attribuendo massa ai bosoni W e Z mentre il fotone rimane a massa nulla, evidenzia le differenze tra l'interazione debole e l'elettromagnetismo.
Il 4 luglio 2012 i fisici che lavoravano all'esperimento ATLAS, assieme a quelli dell'esperimento CMS, hanno annunciato la scoperta - con un livello di confidenza di 5 sigma - di un bosone (particella con spin intero) neutro (privo di carica elettrica) e con una massa di 125 GeV, pari a 133 volte la massa del protone. I primi decadimenti osservati sono stati il decadimento in due fotoni () e il decadimento in quattro leptoni ( e ).
Nel marzo 2013, dopo ulteriori analisi dei dati di ATLAS e CMS, il CERN ha annunciato che la nuova particella è proprio il bosone di Higgs. Gli esperimenti ATLAS e CMS sono stati in grado di dimostrare che le proprietà della particella e il modo in cui interagisce con altre particelle erano quelle caratteristiche di un bosone di Higgs, che ha spin 0 e parità positiva. L'analisi, con i dati raccolti nel 2015 e nel 2016, di altre proprietà della particella hanno ulteriormente confermato queste conclusioni.
Nell'ottobre 2013 a due dei fisici teorici che predissero l'esistenza del bosone di Higgs del Modello standard, Peter Higgs e François Englert, è stato assegnato il premio Nobel per la Fisica.
Quark top Le proprietà del quark top, scoperto al Fermilab nel 1995, erano state misurate solo approssimativamente. Grazie alla maggiore energia e al maggior numero di eventi, l'LHC produce un grande numero di quark top, permettendo ad ATLAS di compiere misure molto più accurate sulla sua massa e sulle sue interazioni con le altre particelle. Queste misure forniscono informazioni sui dettagli del Modello standard e potrebbero rivelare inconsistenze tra teoria e dati sperimentali, indizi a favore di nuove teorie fisiche.
Oltre il Modello standard Mentre il Modello standard prevede che quark, leptoni e neutrini debbano esistere, non spiega perché le masse di queste particelle siano così diverse (differiscono per ordini di grandezza). Inoltre, la massa dei neutrini dovrebbe essere, secondo il Modello standard, esattamente nulla come quella del fotone. Invece i neutrini hanno massa. Nel 1998 i risultati della ricerca al rivelatore Super-Kamiokande hanno determinato che i neutrini possono oscillare da un sapore all'altro, il che impone che debbano avere una massa diversa da zero. Per questi e altri motivi, molti fisici delle particelle credono che il Modello standard potrebbe non essere più valido a scale di energia di 1 TeV o maggiori. La maggior parte delle teorie alternative, le GUT (Grand Unified Theories) tra cui SUSY (SUper SYmmetry), prevede l'esistenza di nuove particelle con massa maggiore di quelle del Modello standard.
Supersimmetrie Alcune delle particelle non previste dal Modello standard potrebbero essere abbastanza leggere da venir prodotte ed osservate da ATLAS. In molti casi, è previsto che queste particelle molto massive decadano in quark ad alta energia e in altre particelle massive debolmente interagenti con la materia ordinaria. Le particelle più stabili uscirebbero dallo spettrometro, lasciando come tracce uno o più jet di particelle e un alto valore di quantità di moto mancante. Anche altre ipotetiche particelle massive, come quelle descritte dalla teoria di Kaluza-Klein, potrebbero lasciare le stesse tracce. I dati raccolti fino alla fine del Run II al LHC non mostrano evidenza di particelle supersimmetriche o comunque non previste dal Modello standard, la cui ricerca continuerà nei dati che si raccoglieranno dal Run III in poi.
Violazione di CP