SuperB, PNR, CIPE: un glossario

Inutile nascondersi che da tempo, ma sempre di più in queste ultime settimane, l’argomento più caldo di politica scientifica all’interno dell’INFN, è il progetto SuperB. In particolare, il decreto di riparto che ha assegnato, per la prima volta, un finanziamento dedicato, e le dimissioni del prof. Calvetti da direttore del laboratorio più coinvolto (i LNF), hanno acceso un dibattito che si è svolto naturalmente nel Consiglio Direttivo, e, più recentemente e pubblicamente, nella Commissione Scientifica Nazionale I, e con il personale dei LNF.

In diverse occasioni il Presidente o la Giunta Esecutiva hanno avuto quindi occasione di illustrare dello stato di SuperB e delle prospettive future; quello che si vorrebbe provare a fare qui è semplicemente riassumere qualche “termine-chiave” della discussione in brevi voci di una sorta di Glossario, per orientarsi tra i tanti protagonisti e aspetti, anche tecnicamente complessi, della vicenda. L’invito è a leggerlo, seguendone il percorso…

SuperB

Il nome del progetto, che corrisponde anche al nome dell’acceleratore (o meglio, collisore) elettrone-positrone che si vuole realizzare. Il nome evoca le fabbriche di mesoni B, “B factories“, ovvero gli acceleratori PEP allo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in California, e KEK in Giappone, che con i rispettivi esperimenti, BaBar e Belle, hanno profondamente innovato la nostra conoscenza della fisica del “flavor”, del “sapore” dei quark, ovvero delle interazioni fondamentali tra le particelle che sono i costituenti elementari della materia (assieme a quelle “leggere”, cioe` i leptoni, cioe` elettroni, muoni, tau e neutrini), attraverso lo studio dei decadimenti di un grandissimo numero di mesoni B, composti dal quarto quark, il b o beauty, appunto. Per migliorare sensibilmente la nostra conoscenza di questo settore, complementare e importante quanto l’approccio di alta energia di LHC, SuperB punta ad ottenere una luminosita` circa cento volte maggiore di quella raggiunta dalle B-factories della generazione precedente.

Luminosita`

E` proporzionale al numero di particelle per unita` di area e di tempo. Moltiplicata per la sezione d’urto, esprime il numero di eventi di interazione al secondo, e dunque e` uno dei parametri fondamentali per descrivere la performance di un acceleratore (Un’ottimo articolo rivolto a non esperti del campo).

Gli elementi fondamentali per raggiungere luminosita` molto elevate si possono desumere guardando la semplice formula che esprime la luminosita` per un collisore e dunque aumentare la frequenza f, o il numero di pacchetti in un fascio n, o il numero di particelle in ciascun pacchetto N1 e N2; oppure diminuire l’area del fascio all’interazione, A. Un metodo innovativo (che non provo neanche a descrivere in poche righe) per aumentare la luminosita` diminuendo le dimensioni dei fasci in interazione e` la tecnica del Crab Waist, introdotta da Pantaleo Raimondi, e verificata, con successo, sull’esistente collisore elettrone-positrone dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, DAFNE: a bassa energia (1 GeV), il fattore di miglioramento e` stato di almeno un fattore 3.5, ci si aspetta che il guadagno sia maggiore alle piu` alte energie di SuperB.

INFN (Storia della SuperB nell’)

Pantaleo Raimondi

E` interessante risalire agli inizi del progetto SuperB. L’interesse dell’INFN per un progetto che estendesse le potenzialita` di una B-factory, dati gli importanti e prestigiosi risultati ottenuti, anche con il contributo della nostra comunita` (soprattutto sulla sponda americana con BaBar), e` stato molto vivo sin dall’inizio degli anni Duemila, quando si e` cominciato a parlare, sia negli Stati Uniti, sia in Giappone, di una Super B-factory. I laboratori che ospitavano le due macchine acceleratrici erano naturalmente candidati a proporre il nuovo acceleratore.

Nel corso del 2005, si e` fatta avanti l’idea di realizzare questo progetto in Italia, utilizzando le idee innovative per il collisore, proposte da Pantaleo Raimondi, responsabile di DAFNE, a Frascati (macchina a 1 GeV, ultima erede della nobile tradizione di Touscheck, inventore dei collisori elettrone-positrone). Si stava in quei mesi elaborando (anche nell’ambito di gruppi di lavoro della Commissione I) il documento “strategico” dell’INFN per il quinquennio successivo, la cosidetta “Roadmap 2006-2010“, e in quel contesto venne inserito il progetto di una Super flavour factory: SuperB, frutto di una serie di Workshop (personalmente ne ricordo bene uno a Frascati), da parte di un gruppo di fisici di macchina e dei rivelatori (coordinati da Marcello Giorgi e Francesco Forti, i risultati sono riassunti per esempio nel report per la roadmap).

MIUR (Ruolo del)

Il progetto è stato presentato al MIUR, in quanto -ovviamente- l’entità del finanziamento per realizzare un acceleratore del genere è tale da non consentire che venga realizzato all’interno del solo budget dell’INFN, ma richiede, oltre alla partecipazione di patner internazionali, delle risorse che vengano direttamente dal Governo. Lo strumento per questo tipo di infrastruttura di ricerca è il Piano Nazionale della Ricerca (PNR, che vediamo più in dettaglio nella prossima voce) che consente di allocare le risorse necessarie in un piano pluriennale, svincolandosi dal finanziamento annuale ordinario, e consentendo di reperire anche i fondi aggiuntivi necessari.

L'attuale ministro Mariastella Gelmini

L’ultimo Piano deliberato è il PNR 2005-2007, predisposto sotto il dicastero di Letizia Moratti (ministro dal giugno 2001 all’aprile 2006), e il nuovo Piano, il PNR 2008-2010 era in corso di preparazione da parte di Fabio Mussi, al ministero di Università e Ricerca dal maggio 2006, quando il governo Prodi II nel gennaio 2008 cade. Il nuovo ministro di Istruzione, Università e Ricerca nel governo Berlusconi IV, a partire dal maggio 2008, Mariastella Gelmini, ha quindi iniziato a predisporre un nuovo Piano, inizialmente ipotizzando una pianificazione quinquennale 2009-2013, poi divenuto il PNR 2010-2012, avvalendosi di una serie di “tavoli tematici”, ovvero dei comitati ristretti composti da scienziati, rappresentanti degli Enti di Ricerca e dell’Università, esponenti della realtà produttiva e industriale, e funzionari del ministero.

Il Ministero è anche, ovviamente, il finanziatore delle attività di ricerca degli Enti pubblici di ricerca (EPR). L’art. 7 del D.lgs. 204/1998 ha previsto che gli stanziamenti da destinare annualmente a vari enti di ricerca – tra cui, oltre l’INFN, il CNR e l’Agenzia spaziale italiana (ASI) – affluissero in un unico Fondo, finanziato dal MIUR, il cui ammontare è determinato nella tabella C della legge finanziaria (ora, legge di stabilità), denominato fondo ordinario di finanziamento degli enti di ricerca, o, molto più gergalmente, “fondone”.

Per il 2009, con D.M. 12 febbraio 2010, sono stati attribuiti € 1.642,8 milioni a 14 enti di ricerca, lo schema di decreto per il 2010 (atto 303), prevede la ripartizione tra le medesime istituzioni sia di € 1.769 milioni (come riportato qui).

PNR

Il Decreto Legislativo 204/1998, lo stesso che ha istituito il “fondone” di cui abbiamo parlato sopra, stabilisce che il Governo stabilisca nel DPEF (documento di programmazione economica e finanziaria, recentemente trasformato nella “decisione di finanza pubblica” su base triennale) “indirizzi e le priorita’ strategiche per gli interventi a favore della ricerca scientifica e tecnologica, definendo il quadro delle risorse finanziarie da attivare e assicurando il coordinamento con le altre politiche nazionali” e che venga “predisposto, approvato e annualmente aggiornato […] il Programma nazionale per la ricerca (PNR), di durata triennale” il quale “definisce gli obiettivi generali e le modalita’ di attuazione degli interventi alla cui realizzazione concorrono,[…], le universita’ e gli enti di ricerca”.

Il decreto individua una serie di strutture tecniche, all’interno del MURST (oggi MIUR), aventi lo scopo di fornire l’indirizzo ai programmi di ricerca e le priorità strategiche, nonché a effettuare la valutazione ex-post: si tratta in effetti del provvedimento legislativo che istituisce il CIVR, il comitato di indirizzo e valutazione della ricerca.

Allo scopo di finanziare “specifici interventi di particolare rilevanza strategica, indicati nel PNR e nei suoi aggiornamenti” viene istituito un Fondo integrativo speciale con apposita legge di finanziamento. Naturalmente, le università e gli enti di ricerca, “con esclusione della ricerca libera nelle universita’ e negli enti, operano in coerenza con le finalita’ del PNR”.

Inoltre, vengono stabilite le competenze del CIPE, il quale, tra l’altro: “approva il PNR e gli aggiornamenti annuali, delibera in ordine all’utilizzo del Fondo speciale e valuta periodicamente l’attuazione del PNR”.

CIPE

Il Comitato Interministeriale per la Programmazione Economica (CIPE) è un organo collegiale del Governo presieduto dal Presidente del Consiglio dei Ministri e composto dai Ministri economici (v. Composizione del CIPE). Svolge la funzione di Segretario del CIPE il Sottosegretario di Stato alla Presidenza del Consiglio delegato dal Presidente.

Istituito nell’anno 1967, il CIPE è un organo di decisione politica in ambito economico e finanziario che svolge funzioni di coordinamento in materia di programmazione della politica economica da perseguire a livello nazionale, comunitario ed internazionale; esamina la situazione socio-economica generale ai fini dell’adozione di provvedimenti congiunturali; individua gli indirizzi e le azioni necessarie per il conseguimento degli obiettivi di politica economica; alloca le risorse finanziarie a programmi e progetti di sviluppo; approva le principali iniziative di investimento pubblico del Paese.

Il Comitato si riunisce in sedute con cadenza periodica, ordinariamente precedute da riunioni preparatorie (note come “pre CIPE”). Le delibere relative alle decisioni assunte dal CIPE sono inviate alla Corte dei Conti per la registrazione e successivamente pubblicate sulla Gazzetta Ufficiale.

Tra le competenze, ci sono anche:

  • il riparto di risorse finanziarie del Fondo Aree Sottoutilizzate (FAS) e dei Fondi da questo alimentati che operano nei settori mobilità, politiche sociali, sostegno alle imprese, ricerca, innovazione tecnologica, ambiente, sicurezza, istruzione;
  • il Programma nazionale della ricerca, il Piano nazionale per la riduzione delle emissioni di gas responsabili dell’effetto serra, il Programma per la messa in sicurezza degli edifici scolastici, il Programma per la sicurezza stradale, i Programmi triennali delle opere pubbliche delle singole Amministrazioni, il Piano Casa.

 

LNF

Vista area dei Laboratori Nazionali di Frascati

Il più antico e più grande laboratorio nazionale dell’INFN, nonché il luogo dove sono nati i collisori elettrone-positrone, in seguito alle felici intuizioni di Bruno Touschek. Dalla nascita, nel 1955, ad oggi, hanno sviluppato e ospitato gli acceleratori di frontiera dell’INFN: da AdA -il prototipo di tutti gli anelli collisori- ad Adone, per arrivare oggi a DAFNE. Dopo il periodo “magico” di ricerca della nuova particella J/Psi e di studio della sezione d’urto adronica, alla fine degli anni ’70, e prima del lancio del progetto DAFNE per lo studio delle simmetrie discrete con i mesoni K, Adone per quasi 20 anni ha operato come macchina per la produzione di luce di sincrotrone.

DAFNE ha operato per gli esperimenti KLOE, DEAR, FINUDA e SIDDHARTA a partire dal 1999, e nel 2008 ha effettuato dei test dello schema di collisione dei fasci detto “crab-waist“, ottenendo, a parità di energia e corrente dei fasci di elettroni e positroni, una luminosità fino a 3.5 volte maggiore. Su DAFNE operano anche delle linee di luce di sincrotrone.

Luce di sincrotrone

La radiazione elettromagnetica prodotta dall’accelerazione di particelle cariche all’interno di una macchina circolare (come il sincrotrone) è chiamata radiazione o luce di sincrotrone. L’energia della radiazione sarà tanto più alta, ovvero la lunghezza d’onda della luce sarà tanto più piccola, quanto più la velocità delle particelle si avvicina alla velocità della luce. Solitamente l’emissione avviene nei raggi X, per cui i campi di applicazione sono estremamente vari e spaziano su moltissime discipline: si va dall’analisi cristallografica delle proteine, all’analisi chimica, all’osservazione di cellule e interazione molecolari (nel campo delle scienze della vita); dall’analisi e lo studio di semiconduttori, alla produzione di chip, all’analisi dei materiali, per finire con le applicazioni mediche, in particolare con l’imaging o la terapia dei tumori.

Le caratteristiche che rendono una macchina per luce di sincrotrone interessante sono:

  • Larga banda spettrale di emissione, fino ai raggi X e gamma
  • Accordabilità in frequenza
  • Elevata intensità
  • Elevata polarizzazione

Allo scopo di realizzare linee di luce ottimizzate invece di far “illuminare” ogni linea ogni volta che gli elettroni completano un giro nell’anello dell’acceleratore, vengono forzati in una traiettoria a zig-zag da appositi magneti “periodici” (detti wiggler), posti in una sezione dritta della macchina, producendo così un fascio di raggi X molto intenso.

IIT

L’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) è una Fondazione di diritto privato istituita congiuntamente da MIUR e MEF, con l’obiettivo di promuovere l’eccellenza nella ricerca di base e in quella applicata e di favorire lo sviluppo del sistema economico nazionale. Nel piano strategico 2009-2011, vengono individuate diverse “piattaforme”: EnergiaEHS (Ambiente, Salute, Sicurezza)Materiali Intelligenti4D (Diagnostica, Sviluppo di Rilascio di Farmaci) Tecnologia di Calcolo Multiscala Integrata. Si tratta di un ente giovane, ben dotato di fondi, che intende crescere ulteriormente (per esempio con 8 nuovi di ricerca dotati di strumenti e personale propri, nel triennio).

Roberto Cingolani, direttore dell’IIT ha dichiarato, lo scorso ottobre, alla comunità di ricercatori della SuperB riunita a Frascati, che l’IIT è tra le partnership più rilevanti previste per il progetto Super B. L’IIT agirà come cruciale utente finale, partecipando con fondi volti alla realizzazione di strutture contenenti alcune linee di fascio dedicate a studi applicativi e di frontiera nel campo delle nano scienze della vita e dell’imaging. Ciò allargherà l’impatto scientifico del progetto SuperB nel futuro e potenzierà inoltre il potenziale di trasferimento tecnologico del progetto.

DOE

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (United States Department of Energy, DOE) è il dipartimento del governo degli Stati Uniti responsabile della gestione dell’energia e della sicurezza nucleare, e coordina le ricerche in ambito di fisica delle particelle. Abbiamo diffusamente descritto di come il DOE, tramite i suoi organismi, controlla e finanzia questo tipo di ricerca, e di come, recentemente, abbia “raffreddato” la partecipazione degli Stati Uniti al progetto SuperB, con un rapporto critico sul progetto italiano, di fatto raccomandando la sola partecipazione attraverso le componenti del dismesso acceleratore di SLAC, PEP-II.

 

PEP-II

Situato nel laboratorio americano di SLAC, Stanford (California), come l’acceleratore giapponese KEKB, che ospita l’esperimento Belle, è un collisore asimmetrico di elettroni e positroni (nel senso che per favorire l’osservazione di particelle a corta vita media, l’energia dei fasci che collidono non è uguale, e dunque i prodotti di decadimento sono “proiettati” nella direzione del fascio più energetico), anch’esso entrato in operazione alla fine degli anni ’90. Un numero straordinario di risultati nella fisica del “sapore”, e nello studio dell’asimmetria tra materia ed antimateria è stato ottenuto con l’esperimento BaBar, al quale ha partecipato anche una nutrita pattuglia di fisici italiani.

SLAC ha deciso di riconvertirsi, come laboratorio, dalla fisica delle alte energie a uno spettro molto più ampio e interdisciplinare di ricerche, per cui PEP-II e l’esperimento BaBar hanno cessato definitivamente le operazioni nell’aprile del 2008.

L’idea, visto l’interesse della comunità americana di fisici che hanno partecipato a BaBar di far parte del progetto SuperB, è quella di dare un contributo in-kind (in “natura”, diciamo), mettendo a disposizione le componenti di PEP-II, come i magneti e le cavità a radiofrequenza, per la costruzione del nuovo acceleratore.


SuperKEKB

Il collisore KEKB (a Tsukuba, Giappone), che opera sin dal 1999 e che ha dato impressionanti risultati con l’esperimento Belle -al pari dell’acceleratore PEP e l’esperimento BaBar negli Stati Uniti (SLAC) – dovrebbe essere sostituito da una macchina simile, appunto SuperKEKB, con una luminosità di picco circa 40 volte maggiore. Per raggiungere questo obiettivo, il piano è quello di aumentare il numero di “pacchetti” di elettroni e positroni  e di aumentare la corrente complessiva dei fasci, nonché migliorando l’ottica di fascio nella regione di interazione. Per ridurre il costo di queste migliorie, la nuova macchina sarà installata nel tunnel già esistente e molte componenti di KEKB verranno riutilizzate, come ad esempio i magneti dell’anello e i klystron utilizzati per dare potenza alle cavità a radiofrequenza.

Il piano di upgrade è articolato in due fasi: una prima fase prevede uno stop di tre anni e dovrebbe concludersi nel 2014, con una luminosità di picco 10 volte quella record ottenuta nel 2009. Per ottenere questo obiettivo i giapponesi pensano di riprogettare la zona di interazione installando delle nuove cavità (crab cavities), nonché aumentando la corrente dei fasci. Un ulteriore fattore 4 dovrebbe essere ottenuto nei 5 anni successivi, dal 2014 al 2019 aumentando ulteriormente le correnti dei fasci e installando un damping ring per elettroni e positroni.

A metà del 2010 il Governo giapponese ha annunciato lo stanziamento di 120 milioni di dollari per il progetto SuperKEKB, su tre anni, che rappresentano circa un terzo dei 350 milioni preventivati per completare l’upgrade della macchina.

 

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