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tour.name = INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
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Button_062AF830_1140_E215_418D_D2FC11B12C47.label = INIZIA LA VISITA
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DropDown_35B201AC_3B67_6BF8_41CB_79B9E7560736.label = LUOGHI PUBBLICI
DropDown_35B211AC_3B67_6BF8_41A1_9368D64BD5AE.label = ACCELERATORI
DropDown_35B261AC_3B67_6BF8_41C8_BFB45A214912.label = LABORATORI
DropDown_376530E7_0762_02F0_4160_C5885D2A7B34.label = VISTA AEREA
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INFN
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
I Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) sono la più grande infrastruttura di ricerca dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) dedicata allo sviluppo e alla costruzione di acceleratori e alla progettazione e realizzazione di rivelatori innovativi per esperimenti di fisica nucleare, fisica delle particelle e astroparticelle. Fondati nel 1955 i LNF sono stati la prima struttura di ricerca italiana per lo studio della fisica nucleare e subnucleare con macchine acceleratrici.
Oltre alla sperimentazione in sede, i LNF contribuiscono in maniera importante a progetti nazionali e internazionali in collaborazione con altri istituti di ricerca, con università e imprese. Questi obiettivi sono raggiunti grazie al personale che comprende circa 500 unità tra dipendenti, studenti e associati. Da sempre i LNF sono attivi nella diffusione della cultura scientifica con programmi di divulgazione rivolti al mondo della scuola e al vasto pubblico.
I LNF sono situati a circa 20 km da Roma, all’interno del comune di Frascati nella zona che accoglie i maggiori centri di ricerca di eccellenza tra cui ENEA, ESA-Esrin e CNR e occupano un’area di tredici ettari.
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LICENSED REAL ESTATE SALESPERSON
Tlf.: +11 111 111 111
jhondoe@realestate.com
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SPARC_LAB (Sources for Plasma Accelerators and Radiation Compton with Laser And Beam) è il laboratorio nato dalla fusione dei precedenti progetti SPARC e PLASMONX ed è caratterizzato da un fotoiniettore per elettroni ad alta brillanza, SPARC, e da un laser ad alta potenza, FLAME.
Il fotoiniettore di SPARC accelera fasci di elettroni ad alta brillanza fino a 170 MeV o fino a circa 100 MeV quando il fascio è compresso fino alle durate di un decimo di picosecondo. Il fascio di elettroni può essere usato per generare un Laser ad Elettroni Liberi (FEL) facendo passare il fascio di elettroni in 12 m di ondulatori e ottenendo luce coerente tra l’infrarosso e l’ultravioletto e dalla durata molto corta (decimi di picosecondo). Recentemente gli studi si sono concentrati sull’accelerazione a plasma, che permetterà di incrementare il gradiente accelerante di 2-3 ordini di grandezza, riducendo di molto le dimensioni della sezione accelerante del fotoiniettore, grazie all’interazione del fascio di elettroni con il plasma.
Il laser FLAME produce impulsi laser infrarossi a 800 nm con 5 J di energia, compressa fino a una durata di 25 · 10-15s. Questi impulsi ultra-intensi sono utilizzati per diversi studi di interazione con la materia, ad esempio generazione e accelerazione di elettroni tramite LWFA, generazione e accelerazione di protoni e ioni tramite il meccanismo TNSA, studi di nuove sorgenti di radiazione e diagnostiche per fasci di elettroni. SPARC e FLAME possono anche lavorare insieme: è stata realizzata una sorgente di raggi x tramite Thomson back-scattering e sono previsti esperimenti di accelerazione laser-plasma del fascio di elettroni del fotoiniettore.
Per saperne di più:
CYGNO è un rivelatore sviluppato per lo studio della materia oscura e dei neutrini solari. La sua caratteristica principale è che, oltre a rivelare queste particelle, ne può misurare la direzione di provenienza.
In foto è presente il Long Imaging ModulE (LIME), un prototipo da 50 litri di volume attivo che raccoglierà dati ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, come test finale in vista della costruzione del futuro grande rivelatore con volume attivo di 1000 litri.
Immaginiamo la materia oscura un po’ come l’aria che ci circonda, non la vediamo e non la sentiamo, ma se ci muoviamo possiamo percepirne la presenza come un leggerissimo vento. Così funziona CYGNO, rivelatore che si trova sulla Terra e che, ruotando con tutta la nostra galassia, dovrebbe sentire questo vento di materia oscura provenire dalla direzione della costellazione del CIGNO o dei neutrini provenienti dal sole. Il Sole e le stelle del cosmo però, emettono i raggi cosmici, un ulteriore vento che interferisce con quello dovuto alla materia oscura, per questo CYGNO verrà quindi installato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN, sotto un filtro di 1400 metri di roccia.
Interno della camera di misura della linea a raggi X molli DXR1 in cui si vede il sistema porta campioni che cala dall’alto in grado di contenere fino a 10 campioni per misure in trasmissione.
Interno della camera di misura della linea a raggi X molli DXR1 in cui si vede il sistema porta campioni che cala dall’alto in grado di contenere fino a 10 campioni per misure in trasmissione.
Interno del monocromatore a doppio cristallo della linea di raggi X molli DXR1.
Le camere pulite o clean room sono dei particolari ambienti in cui è possibile controllare la quantità di polvere per metro cubo d'aria e mantenere la temperatura e l'umidità del locale intorno a dei valori prefissati. All’interno di questi ambienti vengono assemblati e testati i componenti degli esperimenti.
Interno del monocromatore a doppio cristallo della linea di raggi X molli DXR1.
Camera di misura della linea di raggi X molli DXR1. A destra e a sinistra le due camere a ionizzazione che misurano il flusso del fascio incidente e di quello trasmesso dai campioni inseriti nella camera centrale.
Camera di misura della linea di raggi X molli DXR1. A destra e a sinistra le due camere a ionizzazione che misurano il flusso del fascio incidente e di quello trasmesso dai campioni inseriti nella camera centrale.
Le due linee due di luce di sincrotrone DXR2 (UV) e DXR1 (Soft X) dopo la camera dello specchio. Il fascio di luce emesso da uno dei wiggler di DAFNE per una metà continua diritto entrando nella linea di raggi X molli (DXR1) mentre l’altra metà viene deflessa da uno specchio che filtra parte di raggi X e permette di raccogliere la radiazione UV della linea DXR2.
Nell’SCF_Lab ci sono due criostati, ovvero dei gusci metallici, dotati di una serie di finestre di ispezione, all’interno dei quali è possibile ricreare l’ambiente spaziale in termini di pressione e temperatura. Il primo criostato realizzato in ordine di tempo è l’SCF il cui obiettivo principale è quello di fornire degli strumenti di diagnostica, ottimizzazione e verifica per tutti i programmi spaziali che prevedano l’uso dei retro-riflettori laser a spigolo di cubo. La grande rivoluzione sociale ed economica che si è accompagnata all’uso dei navigatori satellitari ha suggerito lo sviluppo di un secondo criostato, l’SCF-G, ottimizzato proprio per offrire il massimo supporto a questo tipo di programmi spaziali.
SCF_Lab è un laboratorio di qualifica spaziale sito in una Camera Pulita di circa 85 m2 di classe di pulizia ISO7. Unico al mondo nel suo genere, è dedicato alla progettazione, caratterizzazione e modellazione del segmento spaziale di telemetria laser, ossia la rilevazione, tramite impulsi laser, della distanza a cui si trovano i retro-riflettori laser a spigolo di cubo posizionati su satelliti artificiali orbitanti intorno alla Terra ma anche poggiati sul suolo della Luna e su Marte.
DAΦNE è il collisore attualmente in funzione a Frascati. L’acceleratore è composto da 2 anelli lunghi circa 100 m, in cui circolano fasci ad alta intensità di elettroni e positroni che si incrociano in due possibili punti di interazione, di cui uno attualmente utilizzato intorno al quale è installato il rivelatore dell’esperimento SIDDHARTA-2. L’energia totale dei fasci nel sistema di riferimento del centro di massa è pari a 1.02 GeV, corrispondente alla massa dei mesoni Φ che vengono prodotti al ritmo di 300 al secondo. I primi fasci di particelle hanno circolato in DAΦNE nel 1997. Da allora ha avuto inizio un’intensa attività che ha visto protagoniste varie collaborazioni scientifiche, ed i loro apparati sperimentali: KLOE, FINUDA, DEAR, SIDDHARTA. Mentre si producono eventi di fisica, la radiazione di sincrotrone emessa dal fascio di elettroni va ad alimentare un articolato laboratorio dedicato alla spettroscopia con luce di sincrotrone, DAΦNE-Luce. Nel 2007, su DAΦNE, e’ stato realizzato e provato per la prima volta al mondo un nuovo metodo per rendere più efficienti le collisioni tra elettroni e positroni, lo schema chiamato “Crab Waist Collision Scheme” ha consentito di migliorare considerevolmente le prestazioni dell’acceleratore stesso. Questa attività di ricerca e sviluppo nel campo della fisica degli acceleratori ha avuto vasta eco internazionale: al momento esistono progetti e macchine in via di realizzazione che includono il Crab Waist come elemento essenziale.
Gli anelli di accumulazione sono degli acceleratori circolari. Le particelle cariche vengono accelerate per mezzo di campi elettrici e vengono mantenute sulle orbite circolari grazie all’azione di campi magnetici. Le particelle sono confinate in un anello dove c’è ultra-alto vuoto. I fasci di particelle vengono fatti scontrare in corrispondenza dei punti di interazioni attorno ai quali vengono installati gli esperimenti con i rivelatori per registrare e studiare gli eventi.
Per saperne di più:
Nell’officina meccanica vengono prodotte parti meccaniche complesse, attraverso le tecnologie più avanzate. Le tecniche di produzione utilizzate includono quelle più tradizionali e anche quelle di stampa 3D. Le componenti prodotte sono impiegate in esperimenti presso i LNF e in collaborazioni nazionali e internazionali.
Interno del monocromatore a doppio cristallo della linea di raggi X molli DXR1.
NAUTILUS è un rivelatore di onde gravitazionali costituito da una barra risonante di 2.3 tonnellate di massa posta a una temperatura di soli 0.13 gradi al di sopra dello zero assoluto.
Il rivelatore è stato progettato per rivelare onde gravitazionali emesse da sorgenti vicine di alta frequenza (intorno ad 1 kHz), come ad esempio i collassi gravitazionali con formazione di stelle di neutroni o buchi neri. Questo rivelatore funzionava come un diapason messo in vibrazione al passaggio di un’onda gravitazionale. Pur non avendo rivelato onde gravitazionali, Nautilus ha rivestito un ruolo pionieristico costituendo un punto di partenza per lo sviluppo e la costruzione dei moderni interferometri. E’ stato in funzione dal 1995 al 2017.
Per saperne di più:
Questo acceleratore da 1,1 MeV fu costruito all'Istituto di Sanità Pubblica (ISP) ed è stato il primo acceleratore italiano ed uno dei primi in Europa. Era uno strumento dedicato alla produzione di neutroni che a loro volta erano impiegati per la produzione di sostanze radioattive artificiali. La progettazione e costruzione dell'acceleratore fu il risultato della collaborazione tra l'ISP e il gruppo dei "ragazzi di via Panisperna". Nel 1980 l’acceleratore venne donato all’INFN. Situato oggi presso la sede dell’Amministrazione Centrale dell’INFN, il Cockcroft - Walton fa parte del museo storico-scientifico diffuso dei LNF che mette in esposizione esperimenti e componenti di esperimenti che hanno segnato la storia dei Laboratori e della fisica delle particelle. L’acceleratore Cockcroft - Walton si basa sul circuito moltiplicatore di tensione che accelera le particelle grazie alla differenza di potenziale. E’ composto da una parte dalla sorgente di ioni e un tubo acceleratore e dal moltiplicatore di tensione dall’altra. Con il Cockcroft Walton nel 1932 si ottenne la prima disintegrazione nucleare artificiale della storia presso il laboratorio Cavendish dell’Università di Cambridge.
Con l’acceleratore Adone nel 1969 inizia lo studio della fisica delle collisioni elettrone-positrone a Frascati. È il successore a più alta energia e intensità di AdA. I fasci di particelle, ciascuno di energia 1.5 GeV, circolavano in un anello lungo 105 m in cui vi erano 4 punti di interazione attorno ai quali venivano installati gli apparati sperimentali. Gli esperimenti con ADONE riguardarono test dell'elettrodinamica quantistica (QED), i fattori di forma del protone e del neutrone, lo studio del muone, la produzione multiadronica. ADONE venne inoltre utilizzato come sorgente di luce di sincrotrone per lo studio dei materiali, la biologia e i beni culturali. Venne spento nel 1993 passando il testimone a DAFNE.
Nel 1961 un gruppo di giovani fisici e ingegneri guidati da Bruno Touschek ideò e costruì AdA, il primo acceleratore di particelle-antiparticelle. AdA è un grande magnete curvante del peso di 8.5 tonnellate, in grado di mantenere le particelle con energia fino 200 MeV su un’orbita circolare di 65 cm di raggio. Nello stesso anello elettroni e positroni circolavano in direzioni opposte con eguale velocità, annichilandosi e trasformando tutta l’energia iniziale in nuove particelle.
AdA, pur avendo avuto una breve vita scientifica, resta una pietra miliare nella storia della scienza. Come prototipo dei tanti anelli di accumulazione che seguirono, ha mostrato la concreta fattibilità dei collisori elettrone-positrone.
È il laboratorio di luce di sincrotrone dei LNF. La luce di sincrotrone è la radiazione emessa da particelle cariche accelerate – nel caso di DAΦNE, elettroni – che viaggiano a velocità relativistiche.
La radiazione prodotta ha una elevata brillanza e lunghezze d’onda che si estendono, in modo continuo, dall’infrarosso ai raggi X, rendendola una sonda ideale per studiare sistemi fisici con dimensioni che vanno da quelle atomiche a quelle di sistemi biologici come cellule e tessuti. Per questo la luce di sincrotrone è uno strumento fondamentale per svolgere ricerche avanzate in campi quali la scienza dei materiali, le nanoscienze, la chimica, la biologia, la medicina, le scienze ambientali e i beni culturali.
Per saperne di più:
L’interazione dei fasci di particelle con le molecole di gas residuo può provocare fenomeni di instabilità del fascio di particelle e la conseguente perdita del fascio stesso; il vuoto è quindi una condizione fondamentale per avere un fascio di particelle stabile e per ottenerlo, è necessario utilizzare particolari dispositivi, detti pompe da vuoto. Tali dispositivi possono «trasportare» le molecole dalla camera in cui si desidera creare il vuoto, verso l’esterno (come le pompe scroll, rotative o turbomolecolari) oppure possono, con processi chimico-fisici, intrappolare le molecole di gas residuo (come le pompe ioniche o a sublimazione di titanio). In Dafne viene raggiunto il livello di ultra alto vuoto ovvero una pressione pari a circa 10−9 mbar.
All’inizio degli anni ‘70 un team di ricerca dei LNF costruì per l’esperimento FRAMM una camera proporzionale a multifili, un rivelatore in grado di misurare la traiettoria di una particella che interagisce con il gas in esso contenuto. In questo caso gli elettroni e ioni liberati dal passaggio delle particelle generano delle correnti lungo i fili, a cui capi è applicata una tensione elettrica.
La disposizione dei fili permette di determinare con elevata precisione la posizione delle particelle cariche provenienti in questo caso dall’acceleratore Superprotosincrotrone del CERN.
FRAMM è stato un esperimento dedicato allo studio della frammentazione degli adroni ed è stato tra le prime partecipazioni da parte del personale LNF in un esperimento all’estero.
Il calorimetro è un componente fondamentale per la misura dell’energia delle particelle e si trova all’esterno del sistema di tracciamento.
In figura viene mostrato il vetro al piombo utilizzato nel calorimetro dell'esperimento HERMES installato presso il collisore elettroni-protoni HERA del DESY di Amburgo. L’esperimento HERMES (HERA Measurement of Spin), in funzione dal 1995 al 2007, ha contribuito allo studio della struttura dello spin del nucleone. Con nucleone si intende sia il protone che il neutrone ovvero i costituenti dei nuclei atomici. Il calorimetro è composto da 840 contatori di vetro al piombo disposti in due muri di 420 blocchi. Ogni blocco di vetro è costituito da una percentuale del 51% di Piombo. La loro funzione è di misurare l’energia delle particelle che attraversandolo, producono uno sciame di altre particelle, generando la cosiddetta radiazione Čerenkov. Questa viene raccolta da un fotomoltiplicatore, un sensore in grado di registrare segnali luminosi e convertita in un segnale elettrico. Il calorimetro è stato realizzato da una collaborazione tra Italia, Olanda, Armenia e USA.
Questo rivelatore contiene tubi riempiti con gas a bassa pressione che si ionizza al passaggio delle particelle. La scarica elettrica prodotta all’interno del tubo rende visibili le traiettorie delle particelle prodotte dall’impatto dei raggi cosmici primari nell’atmosfera e che giungono fino a noi.
E’ costituito da uno spesso strato di materiale pesante per rallentare le particelle fino ad arrestarle. L’energia della particella che passa nel calorimetro viene rilasciata sotto forma di sciame e misurata da appositi dispositivi. Il calorimetro permette l’identificazione delle particelle neutre come neutroni e fotoni che non rilasciano segnali nei rivelatori più interni.
Il calorimetro di KLOE è costituito da una particolare struttura a multistrato, composta da un totale di 15000 chilometri di fibre scintillanti del diametro di 1 millimetro immerse in fogli di piombo spessi 0.5 millimetri. Il pezzo in esposizione pesa 200 chilogrammi ed è stato ricavato da un modulo di 4 metri di lunghezza. Il calorimetro in totale ha un peso di 100 tonnellate.
KLOE è stato un esperimento in funzione dal 1999 al 2018 presso il collisore DAFNE dei LNF.
Il rivelatore di vertice è il rivelatore più vicino al punto di interazione dei fasci e il primo che le particelle prodotte nella collisione incontrano nel loro cammino all’interno dell’apparato sperimentale. La sua funzione è quella di tracciare con precisione micrometrica il passaggio delle particelle cariche, in modo da identificarle e misurarne le caratteristiche fisiche, come posizione e tempo di decadimento.
Nel rivelatore di vertice dell’esperimento ALEPH al CERN mostrato in figura l’elemento attivo utile alla rivelazione è costituito da un sottile strato di Silicio. Realizzato da una collaborazione di fisici italiani e tedeschi, il rivelatore di vertice di Aleph, ha consentito di misurare con accuratezza la vita media dei mesoni B e del leptone tau, pari a un millesimo di miliardesimo di secondo 10^(-12) s, dimostrando che l’interazione responsabile di questi processi di decadimento è la “Forza Debole”.
All’esterno del rivelatore di vertice si trova il tracciatore, in cui le traiettorie delle particelle cariche vengono curvate da un campo magnetico molto intenso. Misurando il raggio di curvatura delle traiettorie, si ottengono informazioni sulla carica elettrica e sulla quantità di moto delle particelle.
In figura viene mostrato il rivelatore a tripla-GEM dell’esperimento LHCB del CERN. Una GEM (Gas Electron Multiplier) è costituita da un sottile foglio di kapton spesso 50 µm, rivestito di rame e dotato di microfori di 70 µm di diametro. L’elemento attivo è una miscela gassosa che viene ionizzata dal passaggio di una particella.
Realizzato dai gruppi di Frascati e di Cagliari dell’INFN, il rivelatore GEM dell’esperimento LHCb, è utilizzato all’interno del “sistema di trigger” per selezionare gli eventi che contengono i decadimenti più significativi da analizzare.
La camera a deriva dell’esperimento KLOE è un rivelatore a fili di circa 4 m di diametro e circa 3.3 m di lunghezza e con circa 52000 fili tesi nel volume sensibile è la più grande camera a deriva finora costruita. È riempita da una miscela di gas prevalentemente costituita da elio, gas leggero ed estremamente difficile da contenere. Il suo scopo è quello di tracciare le particelle cariche provenienti dai decadimenti del mesone Φ una particella prodotta nelle interazioni elettrone-positrone all’acceleratore Dafne, e ricostruire i "vertici di decadimento".
L’antenna risonante esposta, denominata TIGA, Truncated Icosahedral Gravitational wave Antenna, è un prototipo realizzato alla fine degli anni ’90 e non ulteriormente sviluppato. L’idea era di ottenere, grazie alla particolare forma poliedrica, una sensibilità uniforme rispetto a qualsiasi direzione di provenienza delle onde gravitazionali, a differenza delle
barre cilindriche, sensibili principalmente nella direzione trasversale alla loro lunghezza.
KLOE (K LOng Experiment) è stato un esperimento attivo ai LNF presso l’acceleratore Dafne (collisore di elettroni e positroni) per circa 20 anni a partire dal 2000 e ha dato un contributo fondamentale alla comprensione di vari interrogativi della fisica moderna, tra cui lo studio dell’importante meccanismo del mescolamento dei quark nel Modello Standard tramite la cosiddetta matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, effettuando la misura più precisa di uno degli elementi di questa matrice. Un altro tema a cui KLOE ha contribuito in maniera significativa è stata la misura della sezione d’urto adronica a bassa energia, particolarmente importante per lo studio del momento magnetico anomalo del muone (g-2) e per la sua predizione più precisa (al livello di una parte su un milione) nell’ambito del Modello Standard, a tutt’oggi non in completo accordo con le misure sperimentali di g-2, lasciando spazio all’ipotesi di possibile nuova fisica in questo settore.
Il capillare utilizzato nella Plasma Wakefield Acceleration è un sottilissimo canale dal diametro di 0,5 mm ricavato all’interno di un elemento in materiale plastico o in zaffiro, e riempito di idrogeno. Una scarica di corrente da centinaia di Ampere ionizza completamente l’idrogeno creando il plasma, un fluido di elettroni e protoni liberi. Quando un laser o degli elettroni passano nel plasma generano onde simili a quelle generate nel mare da un motoscafo. Queste onde sono sfruttate dagli elettroni che, al pari di un surfista, vengono accelerati. La luce che si osserva è dovuta al rilascio di energia a seguito della ricombinazione degli atomi di idrogeno.
l rivelatore di muoni è il rilevatore più lontano dal punto di interazione dei fasci, e la sua funzione è di rivelare e misurare le caratteristiche dei muoni, particelle cariche molto penetranti, che non vengono fermate dal calorimetro. La loro identificazione è importante per determinare il tipo di evento fisico osservato. In questa immagine è presente il rivelatore MDT dell’esperimento ATLAS al CERN. Gli MDT (Monitored Drift Tube) sono tubi di Alluminio del diametro di 3 cm contenenti un filo di Tungsteno e Renio dello spessore di un capello, riempiti con una miscela di gas Argon e Anidride Carbonica. In ATLAS coprono una superficie totale pari a 5 campi da calcio e hanno svolto un ruolo fondamentale nella scoperta del bosone di Higgs. L’INFN ha contribuito alla progettazione e alla costruzione di questi rivelatori.
Il dono della massa è un’installazione interattiva per spiegare come le particelle acquistano massa quando interagiscono con il campo di Higgs. La sala rappresenta infatti il campo di Higgs e le persone che entrano sono le particelle prive di massa, man mano che le persone/particelle interagiscono con il campo Higgs e raggiungono il centro della stanza la loro massa viene definita e prendono la forma che viene proiettata sugli schermi.
Gli interferometri sono la nuova generazione di rivelatori per onde gravitazionali. Un fascio laser viene diviso in due e la luce inviata lungo ognuno dei due bracci posti a 90° .
Viene quindi riflessa indietro da specchi e si ricombina generando la tipica struttura delle frange d’interferenza. Se la lunghezza dei bracci cambia, anche di pochissimo, la figura d'interferenza cambia, rivelando l'onda gravitazionale che ha attraversato la Terra.
Le antenne LIGO (negli USA) e Virgo (in Italia) hanno bracci lunghi chilometri e nel 2015 hanno per la prima volta rivelato un’onda gravitazionale proveniente dalla fusione di due buchi neri.
La camera a nebbia in esposizione è la versione moderna del primo rivelatore ottico di particelle ideato da Charles Wilson nei primi anni del 1900. Nella camera si forma un ambiente di vapore di alcool sovra-saturo pronto a condensarsi in piccolissime goccioline non appena viene attraversato dalle particelle elettricamente cariche. La traccia delle particelle diventa così subito visibile sotto forma di una traccia che si dissolve nel giro di pochi secondi. Si osservano diverse tracce a seconda del tipo di particella (ad esempio elettroni, particelle alpha, muoni) che attraversa la camera.
In figura viene mostrato un criostato dotato di refrigeratore a diluizione, che è lo strumento fondamentale col quale vengono realizzate queste ricerche. E' capace di raffreddare i dispositivi in esso contenuti fino ad una temperatura che è di 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Il suo funzionamento si basa sulle caratteristiche peculiari di una miscela di elio-3 ed elio-4 nello stato liquido. Temperature così basse sono fondamentali per abbattere il cosiddetto rumore termico e far risaltare il regime quantistico dei rivelatori in studio.
Il laboratorio COLD (CryOgenic Laboratory for Detectors) è il laboratorio criogenico dei LNF. È una facility dotata di attrezzature per misurazioni a temperature ultra-basse (fino a 10 mK) e in alti campi magnetici (fino a 8 T), dedicata alla ricerca e sviluppo di rivelatori ad altissima sensibilità di fotoni a microonde, fino al limite quantistico. Nel laboratorio vengono studiate le proprietà di cavità risonanti operanti a frequenze nell’ordine dei 10-20 GHz, realizzate sia in rame che in materiali superconduttivi. Sono anche caratterizzati dispositivi come Qubits superconduttivi e giunzioni Josephson.
PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) si basa su un’ipotesi avanzata da alcuni modelli teorici che prevedono l’esistenza di una quinta forza in grado di connettere la materia oscura con il nostro mondo e che andrebbe ad aggiungersi alle quattro forze fondamentali che conosciamo, ovvero la forza gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. A questa nuova quinta forza, come per le altre quattro, sarebbe associata una particella messaggera, in questo caso un fotone “pesante”, dotato cioè di una piccola massa, al contrario del fotone ordinario che non ne possiede, e che i fisici chiamano “fotone oscuro” (dark photon). Per produrre il fotone oscuro PADME utilizza gli eventi di annichilazione tra gli antielettroni (positroni) prodotti ed accelerati dal LINAC di Frascati e gli elettroni di un sottile bersaglio di diamante sintetico (dello spessore di 1/10 di mm), che consente quindi di monitorare l’intensità, le dimensioni e la posizione del fascio di particelle.
Per saperne di più:
PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) si basa su un’ipotesi avanzata da alcuni modelli teorici che prevedono l’esistenza di una quinta forza in grado di connettere la materia oscura con il nostro mondo e che andrebbe ad aggiungersi alle quattro forze fondamentali che conosciamo, ovvero la forza gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. A questa nuova quinta forza, come per le altre quattro, sarebbe associata una particella messaggera, in questo caso un fotone “pesante”, dotato cioè di una piccola massa, al contrario del fotone ordinario che non ne possiede, e che i fisici chiamano “fotone oscuro” (dark photon). Per produrre il fotone oscuro PADME utilizza gli eventi di annichilazione tra gli antielettroni (positroni) prodotti ed accelerati dal LINAC di Frascati e gli elettroni di un sottile bersaglio di diamante sintetico (dello spessore di 1/10 di mm), che consente quindi di monitorare l’intensità, le dimensioni e la posizione del fascio di particelle.
Per saperne di più:
La BTF (Beam Test Facility) è un’area sperimentale dove sono disponibili fasci di elettroni e positroni, prodotti dal LINAC di Dafne, ma anche fasci secondari di fotoni e neutroni derivati dai primi. L'intensità e l'energia delle particelle, può essere facilmente variata in modo da soddisfare le richieste degli utenti. Tra gli utilizzatori figurano sia gruppi sperimentali che operano all’interno dei LNF, sia ricercatori esterni, italiani e stranieri, che accedono all'infrastruttura per effettuare test e calibrazioni di rivelatori per gli esperimenti di fisica delle particelle. Le linee di fascio disponibili in BTF sono due, ma la linea 1, dal 2018, è dedicata all'esperimento PADME che sta effettuando studi sulla materia oscura.
Per saperne di più:
Per fornire energia alle particelle in un acceleratore si usano elementi chiamati cavità a radiofrequenza. Al loro interno viene accumulata energia di campi elettromagnetici oscillanti alla frequenza delle onde radio e delle microonde. Attraverso le cavità le particelle ricevono una spinta che ne aumenta l’energia. Le cavità a radiofrequenza sono normalmente costruite in rame e lavorate con alta precisione meccanica. Ai LNF è stata inventata e brevettata una tecnica per realizzare queste strutture con speciali guarnizioni metalliche.
Le cavità a radiofrequenza (RF) acceleranti sono utilizzate negli acceleratori di particelle e convertono l'energia dell'onda elettromagnetica emessa da una sorgente ad alta potenza (p.e. Klystron) in un campo accelerante periodico (p.e. campo elettrico). Quest'ultimo viene fatto sviluppare lungo la direzione di attraversamento di un fascio delle particelle cariche (p.e. elettroni, positroni...) che scorrono al suo interno e data la sua natura oscillatoria, solo le particelle raggruppate in pacchetti (bunch) con la giusta periodicitá, vengono accelerate correttamente. La cavitá a radiofrequenza, per esempio, viene usata negli acceleratori circolari per ristabilire la perdita di energia per emissione di luce di sincrotrone dei bunch che circolano negli anelli, mantenendo cosí le particelle su una orbita corretta.
I quadrupoli e i sestupoli sono magneti utilizzati per gestire la focalizzazione di un fascio di particelle cariche che li attraversano. Usati negli acceleratori di particelle, contribuiscono a contenere il fascio nei tubi a vuoto compensando anche gli effetti di traiettoria dovute piccole deviazioni di energia e posizione. Nei punti di interazione di un acceleratore (dove i fasci si scontrano fra loro o contro un bersaglio) vengono utilizzati al fine di aumentare la probabilità di interazione, ossia la luminosità istantanea.
Amplificatore di radiofrequenza. Il klystron è un piccolo acceleratore lineare pulsato di elettroni dove la radiofrequenza immessa, da amplificare, permette di raggruppare con la stessa periodicitá il denso fascio che scorre nel suo interno. Questi pacchetti di elettroni, prima di essere assorbiti, riconvertono la loro energia in una cavitá RF di uscita, sviluppando una nuova radiazione in radiofrequenza che mantiene le proprietá di quella
entrante ma con un enorme guadagno di potenza di uscita (amplificazione).
Negli anelli studiati per produrre luce di sincrotrone, al fine di aumentarne la sua intensitá (brillanza) si usano elementi magnetici come wiggler e gli ondulatori: serie di dipoli a campi alternati in cui i fasci di particelle cariche compiono un’oscillazione più o meno ampia lungo la traiettoria, emettendo cosí luce la cui coerenza e spettro di radiazione emessa dipendono dal tipo di magnete utilizzato.
SIDDHARTA-2 studia l’interazione nucleare forte attraverso misure di raggi X emessi in corrispondenza a transizioni tra i diversi livelli in atomi kaonici. Un atomo kaonico è un atomo esotico che si forma quando un elettrone in orbita intorno al nucleo è sostituito da una particella con carica negativa, in questo caso un kaone con carica negativa K⁻ proveniente dal collisore DAΦNE.
Quando il kaone nell’atomo kaonico si avvicina al nucleo in seguito ai processi di diseccitazione subisce, oltre all’interazione elettromagnetica col nucleo, anche quella forte. Dalle misure dei raggi X generati nelle diseccitazioni è possibile avere delle informazioni sulla forza forte fra il kaone e il nucleo.
per saperne di più:
I dipoli sono magneti che curvano la traiettoria delle particelle e le mantengono su una traiettoria circolare all’interno di un acceleratore. In figura i dipoli verdi agiscono sul fascio di elettroni mentre quelli arancioni sul fascio di positroni
FINUDA (Fisica Nucleare a DaΦne) è un esperimento di fisica (iper)nucleare progettato per studiare contemporaneamente sia la formazione degli ipernuclei sia il loro decadimento per poter comprendere alcuni aspetti sia della forza forte sia della forza debole, due delle quattro forze fondamentali della natura. I nuclei della materia ordinaria sono composti da due tipi di particelle, protoni e neutroni (nucleoni), a loro volta costituiti dall’insieme di due tipi di quark, up e down. Negli ipernuclei un nucleone è sostituito da un’altra particella, lambda, simile al neutrone, che contiene al posto di un quark down un altro tipo di quark chiamato strange. Studiando come la particella lambda si localizza all’interno del nucleo, si possono ottenere nuove informazioni sulla struttura dei nuclei atomici.
In un acceleratore i fasci di particelle si scontrano in un punto ben definito, chiamato regione di interazione, attorno a cui è collocato il rivelatore, in grado di “fotografare” le nuove particelle generate dalle collisioni . Quella esposta è la regione d’interazione di DAFNE, il collisore di elettroni e positroni dei LNF, che è stata installata nel rivelatore KLOE fino al 2005. E’ costituita da una sfera di una leggerissima lega di alluminio e berillio dello spessore di 0,5 mm, e da camere a vuoto, il cui interno veniva mantenuto ad una pressione di 10^(-11) bar, ovvero cento miliardi di volte più piccola di quella atmosferica. Ai lati della sfera, i quadrupoli magnetici collimano i fasci per rendere più efficaci le loro collisioni, che avvengono in DAFNE ogni 2,7 ns (miliardesimi di secondo).
Il Bruno Touschek Visitor Centre dei Laboratori Nazionali di Frascati è un’esposizione permanente dedicata alla storia della Fisica nucleare e delle particelle e alle attività di ricerca condotte dall’INFN. La narrazione intreccia il racconto delle grandi domande della fisica contemporanea con la presentazione degli strumenti che ci aiutano a trovare le risposte. Il centro nasce per essere la porta di benvenuto dei Laboratori di Frascati e un polo multifunzionale di public engagement che promuove la cultura scientifica creando un punto di incontro tra la scienza e la società