Il laboratorio di fisica delle particelle è spesso un luogo dove i confini della conoscenza vengono superati, e l’esperimento SIDDHARTA-2, attualmente in corso presso i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF), è uno degli esempi più affascinanti. Questo esperimento (al quale dedico buona parte del mio sforzo nella ricerca) ha come obiettivo lo studio delle interazioni tra kaoni e protoni all’interno di un particolare tipo di atomo chiamato atomo kaonico, che fornisce preziose informazioni sulla forza forte e sulla struttura della materia nucleare.

L’esperimento SIDDHARTA-2 è parte di una lunga tradizione di ricerca sui mesoni, in particolare sui kaoni, particelle subatomiche instabili estremamante interessanti. I kaoni sono costituiti da un quark e un antiquark, e la loro interazione con la materia è governata dalla forza forte, una delle quattro forze fondamentali della fisica. Questa forza, responsabile della coesione dei nuclei atomici, è ancora oggetto di studi intensi a causa delle sue complesse dinamiche a basse energie.

Con SIDDHARTA-2 siamo in grado di studiare l’interazione dei kaoni con protoni e neutroni all’interno di un atomo speciale, l’atomo kaonico, dove un kaone negativo sostituisce un elettrone orbitante attorno a un nucleo di deuterio. Lo studio degli atomi kaonici è di grande importanza perché permette di sondare direttamente le proprietà delle interazioni forti a basse energie, un settore della fisica particolarmente difficile da esplorare con altre tecniche.

Nel 2009, l’esperimento SIDDHARTA ha ottenuto una precisissima misura dell’idrogeno kaonico, il primo step per studiare l’interazione del kaone con il nucleo atomico. Questo risultato ha aperto la strada a nuove misure con atomi più complessi, come il deuterio, che contengono un protone e un neutrone nel nucleo. La misura della transizione atomica in atomi di deuterio kaonici è infatti l’obiettivo di SIDDHARTA-2. A differenza dell’idrogeno, il nucleo di deuterio contiene un neutrone; in questo modo influenza l’interazione con il kaone, fornendo informazioni preziosissime sulla dinamica dell’interazione forte.

L’esperimento si svolge utilizzando il collisore DAΦNE (Double Annular Φ Factory for Nice Experiments) presso i Laboratori Nazionali di Frascati, un acceleratore di particelle progettato per produrre grandi quantità di kaoni attraverso la collisione di elettroni e positroni. DAΦNE è un collisore unico, ottimizzato per la produzione di coppie kaoniche, e fornisce il fascio di particelle necessarie per SIDDHARTA-2.

Vista frontale dell'esperimento. È visibile la 'beam pipe' dell'acceleratore DAΦNE, che fornisce il fascio di particelle necessario per SIDDHARTA-2. I kaoni vengono prodotto al centro della struttura e producono atomi kaonici all'interno della camera da vuoto.

SIDDHARTA-2 impiega tecnologie avanzate per la rilevazione dei raggi X emessi dagli atomi di kaone. Il cuore dell’esperimento è costituito da un sistema di rivelatori a deriva di silicio (Silicon Drift Detectors - SDD), strumenti estremamente sensibili che sono in grado di misurare con precisione la posizione e l’energia dei fotoni emessi. In più, l’esperimento è equipaggiato con un gran numero di rivelatori, che permettono di caratterizzare al meglio la condizione sperimentale e rigettare dati con origine diversa da quella degli atomi kaonici. Mi occupo personalmente della calibrazione e della messa a punto di questi rivelatori, che sono fondamentali per ottenere misure precise e affidabili.

I dati raccolti da SIDDHARTA-2 avranno un impatto significativo non solo sulla fisica nucleare ma anche su campi come la fisica fondamentale, l’astrofisica (equazione di stato delle stelle di neutroni) e la materia oscura.

Edit: allego qui un link ad una mia presentazione su YouTube - in inglese.