CURRICULUM VITAE ET STUDIORUM DI PAOLO LENISA
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• CARRIERA ACCADEMICA

• SOMMARIO ATTIVITA’

• ATTIVITA’ SCIENTIFICA

• ATTIVITA’ AMMINISTRATIVA E GESTIONALE

• ATTIVITA’ ORGANIZZATIVA

• ATTIVITA’ DIDATTICA

• ATTIVITA’ DI ALTA FORMAZIONE, ORIENTAMENTO E DIVULGAZIONE SCIENTIFICA

• ELENCO PRESENTAZIONI A CONFERENZE, CONGRESSI, SCUOLE

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CARRIERA ACCADEMICA

Nato a Udine il 17.06.65
• Studi
o 1992 Laurea in Ingegneria Nucleare con 100/100 e lode presso il Politecnico di Milano.
o (1993 Servizio militare)
o 1997 Dottorato di ricerca in Fisica con giudizio ottimo presso l’Università di Ferrara

• Posizioni professionali
o 1997-1998 Guest-scientist presso il MAX-Planck Institute di Heidelberg.
o dal 1998 Ricercatore presso l’Università di Ferrara
o 2014-2014 Professore Associato in Fisica Sperimentale presso l’Università di Ferrara
o 2017- Professore Ordinario in Fisica Nucleare e Subnucleare e presso l’Università di Ferrara

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SOMMARIO ATTIVITA’

• Attività scientifica

• Principali attività attuali:
- Sviluppo e gestione di bersagli polarizzati.
- Produzione ed applicazione di fasci di antiprotoni polarizzati.
- Studio della struttura in spin del nucleone.
- Studio dei fattori di forma del protone.
- Misura del momento di dipolo elettrico di protone e deuterone in un anello di accumulazione.
- Test di Time Reversal Invariance in un anello di accumulazione
- Fusione polarizzata

• Principali attività precedenti:
- Studio e sviluppo di fotocatodi ad affinità elettronica negativa.
- Raffreddamento laser di ioni in anelli di accumulazione.

• Principali risultati scientifici
o Prima dimostrazione dell’applicazione di un laser innovativo a larga banda per il raffreddamento laser di un fasci di ioni in un anello di accumulazione.
o Prima misura della sezione d’urto a scambio di spin a bassa temperatura.
o Prima misura diretta della elicità dei quarks di valenza e del quark s.
o Prima evidenza sperimentale della trasversità e dell’esistenza di un momento angolare non nullo dei quarks nel protone (effetti Collins e Sivers).
o Misura dimostrativa dell’inapplicabilità del meccanismo di spin-flip per la polarizzazione di un fascio immagazzinato in un anello di accumulazione.
o Dimostrazione della polarizzabilità di fascio immagazzinato in un anello di accumulazione tramite filtraggio in spin.
o Dimostrazione dell’utilizzabilità di magneti sestupolari per incrementare il tempo di coerenza di spin di un fascio di polarizzato in un anello di accumulazione.
o Migliore misura esistente (precisione di 10-10) dello spin-tune in un anello di accumulazione.

- Principali responsabilità scientifiche nazionali ed internazionali
o 2000–2005 Coordinatore del gruppo di gestione del bersaglio polarizzato dell’esperimento HERMES (DESY-HH).
o dal 2004 Co-spokesperson della Collaborazione Internazionale PAX
o 2005 Propositore in qualità di Co-spokesperson della proposta di esperimento PAX presso la nuova facility FAIR a Darmstadt Germania.
o 2007-2008 Ideazione preparazione e gestione in qualità di Spokesperson di una misura depolarizzazione di un fascio di protoni presso l’anello COSY al FZJ-Jülich
o 2008 Co-propositore e responsabile del gruppo di Ferrara dell’esperimento OLYMPUS presso il DESY di Amburgo per la misura del contributo a due fotoni ai fattori di forma del protone.
o 2009 Propositore in qualità di Spokesperson della misura della dipendenza dallo spin-della sezione d’urto protone antiprotone presso l’anello AD del CERN.
o 2008-2011 Ideazione, preparazione e gestione in qualità di Spokesperson di una misura di filtraggio in spin presso l’anello COSY.
o dal 2011 membro dell’International Spin Physics Committee
o 2011 Propositore in qualità di Spokesperson di una misura del tempo di coerenza di spin-longitudinale presso l’anello COSY.
o dal 2012 Coordinatore della Sezione di Ferrara nella Commissione Scientifica Nazionale III dell’INFN
o 2012 Co-propositore e corresponsabile per la Collaborazione PAX dell’esperimento TRIC per un test di invarianza temporale presso l’anello COSY del FZ-Jülich
o 2012 Co-propositore e responsabile del gruppo di Ferrara dell’esperimento JEDI per la misura del momento di dipolo elettrico di protone e deuterone presso l’anello COSY del FZ-Jülich
o 2014 Promotore di un esperimento per la misura del momento di dipolo elettrico dell’elettrone presso i Laboratori Nazionali di Frascati nell’ambito dell’iniziativa “What next?” dell’INFN.
o 2015 Co-promotore di un esperimento con bersaglio interno polarizzato in LHC per lo studio di asimmetrie protone-protone a singolo spin.

- Principali responsabilità amministrative e gestionali nazionali ed internazionali
o 2003-2005 Responsabile per l’unità di ricerca di Ferrara del progetto PRIN 2003 approvato e finanziato dal MIUR: “Studio di reazioni SIDIS ep -> e'hX per l'analisi della trasversalita' del nucleone.“
o dal 2005 Responsabile scientifico nazionale e locale dell’esperimento PAX presso il Gruppo III -INFN
o 2006-2008 Responsabile per l’untà di ricerca di Ferrara del progetto PRIN 2006 approvato e finanziato dal MIUR: “Studio di effetti di spin trasverso nel nucleone attraverso reazioni DIS semi-inclusive ep -> e'hX, processi di Drell-Yan pbar p -> l+ l- e scattering elastico pbar p.“
o 2007-2010 Responsabile scientifico per l’Università di Ferrara dell’Istituto Virtuale tra varie istituzioni europee finanziato dalla Helmoltz-Gesellschaft: “Virtual Institute on Spin and Strong QCD”.
o 2008-2011 Responsabile scientifico per l’unità di Ferrara della Joint Research Activity “Hard-Exclusive Reactions (HardEx)”, Work-Package 23 nell’ambito progetto “Hadron Physics 2” (I3HP2) finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del VII Programma Quadro.
o 2008-2011 Responsabile scientifico per l’unità di Ferrara della Joint Research Activity “Polarized Antiprotons (PolAntiP)”, Work-Package 25 nell’ambito progetto “Hadron Physics 2” (I3HP2) finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del VII Programma Quadro (Grant Agreement 227431) .
o 2009 -2012 Responsabile dell’unità di ricerca di Ferrara del progetto PRIN 2008 approvato e finanziato dal MIUR: “Studio di effetti di spin trasverso nel nucleone attraverso reazioni DIS semi-inclusive ep -> e'hX, processi di Drell-Yan pbar p -> l+ l- e scattering elastico pbar p.“
o 2009-2016 Responsabile scientifico del progetto di collaborazione tra l’Università di Ferrara ed il Forschungszentrum – Jülich dal titolo: “Spin-filtering studies in Storage Rings” per il finanziamento di attività congiunte di dottorato e post-dottorato. Contratto no 41853505 (FAIR-009).
o 2010-2016 Responsabile scientifico per l’unità di Ferrara dell’Advanced Research Grant “POLPBAR” finanziato dalla European Resarch Council nell’ambito del VII Programma Quadro(Grant Agreement no. 246980) .
o 2010-2012 Responsabile per l’unità di ricerca di Ferrara del progetto PRIN 2008 approvato e finanziato dal MIUR: “Studio di effetti di spin e impulso trasversi nel nucleone attraverso reazioni DIS semi-inclusive ep -> e'hX, processi di Drell-Yan pbar p -> l+ l- e scattering elastico pbar-p.”
o 2012–2014 Responsabile scientifico per l’unità di Ferrara della Joint Research Activity “Polarized Antiprotons (PolAntiP)”, Work-Package 25 nell’ambito progetto “Hadron Physics 3” (I3HP3) finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del VII Programma Quadro.
o 2013-2016 Responsabile scientifico del progetto di collaborazione tra l’Università di Ferrara della Collaborazione tra il Forschungszentrum – Jülich dal titolo: “Spin-tracking studies in Storage Rings” per il finanziamento di attività congiunte di dottorato e post-dottorato. Contratto no 42028694 (FAIR-021).
o 2016-2021 Responsabile per l’Unità di Ferrara dell’Advanced Research Grant “srEDM” finanziato dall’European Research Council nell’ambito del programma Horizon 2020.
 
- Svolge attività di Referee per le seguenti riviste internazionali:
o Nuclear Instruments and Methods
o Europhysics Journal.
o Radiochimica Acta

- Principali responsabilità organizzative
o 2005 Co-organizzatore dell’International Workshop on “Transverse Polarization Phenomena in Hard Processes” (Como, 7-10 settembre 2005)
o 2006 Co-organizzatore della seconda “Caucasian-German School and Workshop on Hadron Physics” (Tbilisi, Georgia, 4-8 Settembre 2006)
o 2007 Co-organizzatore del Workshop “ANKE/PAX Workshop on Spin-Physics”, Ferrara 29 maggio-1 giugno, 2007
o 2007 Co-organizzatore del Workshop “Hard QCD with Antiprotons at GS-FAIR” , ECT-Trento, Italia, 16-20 luglio 2007
o 2008 Chairman del Workshop “Transversity 2008 - 2nd Workshop on Transverse Polarization Phenomena” Ferrara, 28-31 maggio 2008
o 2008 Co-chairman del Workshop “Polarized Antiprotons” Bad-Honnef (Germania) 24-26 giugno 2008
o 2009 Chairman del Workshop: PST2009 – XIII International Workshop on Polarized Sources, Targets and Polarimetry, Ferrara, Italia, 07-11 settembre 2009
o 2011 Co-organizzatore del Workshop “STORI11, 8th International Conference on Nuclear Physics at Storage Rings”, Frascati, Italia, 9-14 ottobre 2011
o 2013 Chair del Workshop: “Nuclear Fusion with Polarized Nucleons”, ECT* Trento, Italia, 14-15 novembre 2013
o 2015 Co-chair del Workshop “Search for the Electron EDM in an Electrostatic Storage Ring”, Mainz, Germania, 10-11 settembre 2015

- Attività didattica
o dal 1999 al 2000 Corso di Fisica Generale II per il Corso di Laurea in Ingegneria Civile
o 2001 Corso di Fisica Generale I per il Corso di Laurea in Ingegneria Civile
o 2005 Ciclo di lezioni alle XV Giornate di studio sui rivelatori presso Villa Gualino (TO), (Corso per dottorandi) dal titolo “Polarizzazione in anelli di accumulazione”
o dal 2002 al 2008 Corso di Fisica Generale I per il Corso di Laurea in Ingegneria Civile
o dal 2007 al 2008 Corso di Fisica Generale II per il Corso di Laurea in Ingegneria Civile
o dal 2009 Corso di Fisica Generale per Ingegneria Civile
Relatore di 9 tesi di laurea in Fisica.
Relatore di 7 tesi di dottorato in Fisica

- Attività di alta formazione, orientamento e divulgazione scientifica
o Dal 2005 Membro del Collegio dei Docenti di dottorato in Fisica presso l’Università di Ferrara.
o Dal 2012 Membro di redazione del sito di divulgazione scientifica dell’INFN “ScienzaPerTutti”
o Dal 2012 Docente di Epistemologia e Storia della Fisica per i Tirocini Formativi Attivi e Percorsi Abilitanti Speciali (Classe 049 – Matematica e Fisica).
o Dal 2013 Co-chair della Scuola Internazionale di Dottorato “Niccolò Cabeo
o Dal 2013 Responsabile della Collezione Instrumentaria di Scienze Fisiche del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra
o Dal 2014 Titolare di Corsi di aggiornamento di Fisica Moderna e di Storia della Fisica per i Docenti delle Scuole superiori
o Dal 2015 Referente per l’Orientamento in ingresso del Corso di Laurea in Fisica

Relatore di 7 tesi di dottorato in Fisica.
Relatore di 4 relazioni finali di Tirocinio Formativo Attivo (Classe 049 – Matematica e Fisica) .
Relatore di 2 tesi finali dei Percorsi Abilitanti Speciali (Classe 049 – Matematica e Fisica).

- Pubblicazioni scientifiche
o Autore di 194 articoli di cui 136 su rivista internazionale con Referee.
o Firmatario di 11 proposte di esperimento e lettere d’intenti di cui 7 in qualità di Spokesperson.
o Curatore dei Proceedings di 4 Conferenze Internazionali.

- Presentazioni pubbliche
Ha presentato relazioni a 45 conferenze e congressi (43 internazionali) di cui 21 su invito.
- Altre notizie
o Ottima conoscenza della lingua inglese scritta e parlata.
o Ottima conoscenza della lingua tedesca scritta e parlata.
o Conoscenza elementare della lingua russa.

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ATTIVITA’ SCIENTIFICA - BREVE RIASSUNTO E LINEE GUIDA

Paolo Lenisa si è formato come fisico atomico contribuendo, come dottorando prima e successivamente come guest-scientist presso il Max-Planck Insitute di Heidelberg, allo studio di sistemi innovativi di raffreddamento laser di un fascio di ioni immagazzinati in anelli di accumulazione. Tra i risultati sperimentali si menziona la prima evidenza sperimentale, ottenuta presso l’anello TSR di Heidelberg, dell’efficacia dell’utilizzo di laser innovativo a largo spettro nel raffreddamento di un fascio di ioni [PRL 80 (1998) 2129]. Il risultato dimostra in modo inequivocabile come un tale tipo di sorgente sia in grado di contrastare il fenomeno dell’intrabeam-scattering che rappresenta il meccanismo dominante di riscaldamento dello spazio delle fasi longitudinale delle particelle immagazzinate.
Paolo Lenisa è risultato vincitore del concorso da ricercatore presso l’Università di Ferrara nel 1998. La sua formazione come fisico atomico e l’esperienza acquisita sugli anelli di accumulazione gli hanno consentito di inserirsi in modo naturale nel gruppo di gestione del bersaglio interno polarizzato dell’esperimento HERMES (DESY-Amburgo) di cui ha svolto il ruolo di coordinatore dal 2000 al 2005. HERMES, che ha concluso la sua presa-dati nel 2007, è stato un esperimento di diffusione profondamente inelastica (DIS), che ha utilizzato bersagli gassosi di idrogeno e deuterio polarizzati longitudinalmente ed idrogeno polarizzato trasversalmente, posizionati sul fascio di elettroni/positroni di HERA a DESY. Sotto la gestione di Paolo Lenisa, il bersaglio ha stabilizzato le sue prestazioni consentendo al gruppo la pubblicazione di 10 articoli dedicati su rivista internazionale [NIMA 482 (2002) 606, EPJD 18 (2002) 37, NIMA 508 (2003) 268 , NIMA 482 (2002) 1 , NIMA 505 (2003) 633 , NIMA 496 (2003) 277, NIMA 496 (2003) 263, EPJD 29 (2004) 21, NIMA 540 (2005) 68, EPJD 48 (2008) 343]. Tra queste se ne menzionano un paio legate a misure di fisica atomica stimolate e sviluppate grazie alle competenze di Paolo Lenisa: la prima misura della polarizzazione residua di molecole ottenuta da ricombinazione su una superficie inerte [EPJD 29 (2004) 21] e la prima misura della sezione d’urto a scambio di spin tra atomi di idrogeno a bassa temperatura [EPJD 48 (2008) 343].
Le prestazioni eccellenti del bersaglio hanno consentito all’esperimento HERMES di giocare un ruolo chiave nella comunità internazionale nello studio della struttura di spin di protone e deutone.
In particolare, l’analisi delle asimmetrie semi-inclusive raccolte negli anni 1996-2000 con idrogeno e deuterio longitudinalmente polarizzati, ha consentito alla collaborazione HERMES di misurare per la prima volta in modo diretto la polarizzazione longitudinale dei quarks u e d di valenza e dei quark s del mare [PRL 92 (2004) 012005, PRD 71 (2005) 012003]. Confermando le indicazioni indirette delle misure inclusive, la polarizzazione del u-quark è risultata positiva con polarizzazione maggiore a grandi x dove i quark di valenza dominano, mentre la polarizzazione del d-quark risulta negativa. Le misure evidenziano inoltre che la polarizzazione dei quarks del mare è piccola. Nel loro complesso, tutte queste misure, stimolate dalla cosiddetta “crisi dello spin” della fine degli anni ’80, mostrano definitivamente che lo spin dei quarks genera meno della metà dello spin del protone e che l’unico contributo dai quarks deriva da quelli di valenza.
La presa dati successiva con bersaglio di idrogeno trasversalmente polarizzato (2002-2005), ha permesso ad HERMES di svolgere un ruolo pionieristico nello studio delle distribuzioni di spin e momento trasverso nel nucleone. Tale studio risulta fondamentale per la comprensione della struttura del protone e la sua importanza è sottolineata dal finanziamento di tre progetti di ricerca PRIN dedicati finanziati dal MIUR, di cui Paolo Lenisa è responsabile per l’unità di ricerca di Ferrara (PRIN 2003, PRIN 2006, PRIN 2008). Il finanziamento, ha consentito di supportare in modo determinante gli elementi del gruppo nell’analisi dei dati di HERMES. Si menzionano in particolare l’estrazione dell’ampiezza di Sivers e dell’ampiezza di Collins, entrambe misurate con fascio non polarizzato e bersaglio d’idrogeno trasversalmente polarizzato [PRL 94 (2005) 012002, PRL 103 (2009) 152002, PLB 693 (2010) 11]. Queste due ampiezze azimutali contengono informazioni su funzioni di distribuzione partoniche fondamentali e poco note del nucleone. La prima, detta funzione di Sivers, descrive la correlazione tra il momento trasverso dei quark e la polarizzazione trasversa del nucleone. La seconda, detta trasversità, è legata alla densità numerica di quark trasversalmente polarizzati all’interno di un nucleone trasversalmente polarizzato. HERMES ha fornito la prima evidenza sperimentale che sia la trasversità che la funzione di frammentazione di Collins sono non nulle. Ha fornito inoltre la prima evidenza sperimentale che la funzione di Sivers stessa è non nulla, implicando l’esistenza di un momento angolare orbitale non nullo dei quark nel nucleone, fin ora mai misurato. Le asimmetrie azimutali rilevate da HERMES combinate con quelle dell’esperimento COMPASS al CERN e con la misura della funzione di Collins dell’esperimento BELLE (KEK, Giappone) hanno consentito di effettuare la prima estrazione della distribuzione trasversità del nucleone, risultato che rappresenta una pietra miliare per la fisica adronica. Al tempo stesso, dalla misura delle ampiezze di Sivers, è stata recentemente effettuata un’estrazione della funzione di Sivers per i quark u e d, ottenendo, per i due flavours, valori circa uguali in valore assoluto ed opposti in segno. Questo risultato, in accordo con le previsioni può essere interpretato fenomenologicamente come l’evidenza del fatto che, all’interno del protone, quark u e d abbiano momento angolare orbitale di segno opposto.
Il riconoscimento della comunità internazionale per la competenza nelle tecnologia della polarizzazione negli anelli di accumulazione e l’interesse per lo studio della struttura del nucleone, hanno consentito a Paolo Lenisa di farsi promotore e Co-Spokesperson della Collaborazione Internazionale PAX (Polarized Antiproton eXperiments), e di sottomettere nel 2005 una proposta di esperimento alla facility FAIR presso il GSI a Darmstadt [http://www2.fz-juelich.de/ikp/pax/portal/documents/proposals/files/techproposal20060125.pdf]. Tale proposta è legata alla possibile sperimentazione con il primo fascio intenso mai realizzato di antiprotoni polarizzati.
A supporto della proposta di esperimento, Paolo Lenisa ha in questi ultimi anni studiato a fondo il meccanismo di polarizzazione di un fascio di nucleoni circolanti in un anello, sia da un punto di vista teorico che da un punto di vista sperimentale [PRL 94 (2005) 014801, PLB 674 (2009) 269, http://www2.fz-juelich.de/ikp/pax/portal/documents/proposals/files/proposal20071020.pdf, http://www2.fz-juelich.de/ikp/pax/portal/documents/proposals/files/proposal20080414.pdf, http://www2.fz-juelich.de/ikp/pax/portal/documents/proposals/files/proposal20090426.pdf]. Nonostante le molte proposte esistenti, prima dell’attività sperimentale promossa da Paolo Lenisa, a tal riguardo esisteva un’unica misura sperimentale legata ad un test di filtraggio in spin su protoni, effettuata presso l’anello TSR di Heidelberg nel 1992.
In linea di principio, ci sono due possibilità per polarizzare un fascio di particelle di spin ½, come gli antiprotoni, immagazzinato in un anello di accumulazione. Il primo, detto di “spin-flip” si basa sulla possibile esistenza di un meccanismo che dia luogo ad una diversa probabilità di transizione tra stato up e down rispetto al processo opposto. Il secondo, detto di “spin-filtering”, prevede l’utilizzo di un processo che elimini selettivamente dall’anello di accumulazione uno stato rispetto all’altro. Paolo Lenisa ha promosso, allestito ed effettuato una serie di misure dedicate alla comprensione dei menzionati meccanismi. Una prima misura ha permesso di arrivare alla dimostrazione sperimentale dell’inefficacia della tecnica di spin-flip [PLB 674 (2009) 269], lasciando come unica prospettiva per la polarizzazione in situ di un fascio di antiprotoni, quella del filtraggio in spin. Una seconda misura ha dimostrato l’efficacia del meccanismo di filtraggio in spin per polarizzare un fascio immagazzinato in un anello di accumulazione. Tale misura risulta di importanza fondamentale per il campo di ricerca. Essa ha infatti confermato la recente comprensione teorica del meccanismo di polarizzazione filtraggio, oggetto di controverse interpretazioni teoriche in passato. Ha inoltre consentito (a riprova del perfetto controllo di tutte le sistematiche sperimentali come si evidenzia in [Phys. Rev. ST – Accel. Beams, 18 (2015) 02010]) l’estrazione della sezione d’urto polarizzata protone-protone [PLB 718 (2012) 64]. A riconoscimento della loro importanza la comunità europea ha finanziato gli studi menzionati tramite un Advanced Research Grant (POLPBAR: 2010-2016), di cui Paolo Lenisa è responsabile scientifico locale per l’Università di Ferrara e di due Joint-Research Activitiies nell’ambito dei Progetti Hadron Physics 2 (2008-2011) e Hadron Physics 3 (2012-2014) di cui Paolo Lenisa è stato responsabile scientifico per la sezione INFN di Ferrara.
Onde studiare l’applicabilità della tecnica di filtraggio in spin alla polarizzazione degli antiprotoni, la Collaborazione PAX, guidata da Paolo Lenisa, ha elaborato e sottomesso nel corso del 2009 un Technical Proposal al Comitato SPS del CERN dedicato alla misura della dipendenza dallo spin della sezione d’urto protone-antiprotone [http://www2.fz-juelich.de/ikp/pax/portal/documents/proposals/files/proposal20090426.pdf]. La precisa conoscenza di tale sezione d’urto è necessaria per la progettazione di un anello di accumulazione dedicato. Le previsioni teoriche esistenti per tale sezione d’urto, riflettono l’incertezza della descrizione del processo di annichilazione protone-antiprotone e discordano quasi di un fattore 2, il che rende indispensabile una misura sperimentale. L’anello AD costituisce l’unica macchina al mondo ad immagazzinare antiprotoni in un intervallo di energia favorevole al filtraggio in spin (tra 50 e 500 MeV).
La situazione di incertezza attorno alla facility FAIR ha indotto Paolo Lenisa nel 2013 ad aderire all’esperimento CLAS presso il laboratorio JLAB in Virginia negli Stati Uniti. CLAS è un esperimento di diffusione profondamente inelastica di terza generazione che associa ad una eccellente capacità di identificazione delle particelle una elevata luminosità. CLAS si propone di portare a compimento l’attività pionieristica iniziata da HERMES nel campo della tomografia del nucleo. L’esperimento CLAS utilizza un fascio estratto su un bersaglio solido ed è dotato di un magnete toroidale per la ricostruzione del momento delle particelle diffuse. Tale magnete ha la caratteristica di produrre un campo nullo lungo l’asse il che rappresenta una condizione ideale per l’installazione di un bersaglio polarizzato. Il contributo di Paolo Lenisa si inserisce nell’ ambito dell’aggiornamento che l’esperimento sta effettuando in prospettiva del passaggio da 6 a 12 GeV di energia del fascio. In particolare, Paolo Lenisa è tra i propositori e gli sviluppatori di un sistema di confinamento magnetico innovativo per il bersaglio polarizzato che l’esperiento preved di utilizzare: la cosiddetta HD-ice target. Tale bersaglio, pur complesso nella fase di allestimento, presenta assoluti vantaggi in quella di esercizio. Ai bassi fattori di diluizione e campi magnetici di mantenimento, caratteristiche tipiche di un bersaglio gassoso, associa infatti le elevate densità tipiche dei bersagli solidi. Sono attualmente in corso studi per confermare l’utilizzabilità di un tale bersaglio su un fascio di elettroni, oltre che su quelli di fotoni dove è stato fino ad ora utilizzato. Il gruppo di Ferrara sta attualmente sviluppando presso i laboratori del Dipartimento di Fisica un sistema di confinamento magnetico attivo basato sull’utilizzo di un cilindro superconduttore di tipo “bulk” [IEEE transactions on Applied Superconductivity 25 (2015) 1].

La maturità tecnologica raggiunta nel controllo della polarizzazione di fasci e bersagli ha reso recentemente concepibile la sua applicazione a misure di fisica fondamentale all’interno di un anello di accumulazione. E’ in questa prospettiva che Paolo Lenisa ed il suo gruppo sono co-propositori e sostenitori di due esperimenti previsti presso l’anello COSY, quali la prima misura diretta del momento di dipolo elettrico (EDM) di una particella carica ed un test di invarianza temporale [http://www2.fz-juelich.de/ikp/publications/PAC40/176.6-Ed-sum.pdf, http://www2.fz-juelich.de/ikp/publications/PAC40/EDM-COSY-Proposal_cover_23.04.2012.pdf, http://www2.fz-juelich.de/ikp/publications/PAC40/215-TRI_Prop_sum.pdf].
La fisica di precisione è una delle nuove frontiere della fisica, complementare a quelle di energia ed intensità per cercare di accedere a fisica oltre il modello standard. I momenti di dipolo elettrico (EDM) delle particelle fondamentali vanno considerati tra le sonde più sensibili alla violazione di CP. Il modello standard prevede EDM non nulli, ma molto inferiori alla sensibilità sperimentale. Per questa ragione, la scoperta di un EDM non nullo sarebbe da considerarsi un’indicazione di "nuova fisica" oltre il Modello Standard. Fino ad ora, la ricerca dell’EDM è stata limitata a sistemi neutri data l’impossibilità di confinare una particella carica all’interno di un campo elettrico. La prospettiva recentemente emersa di utilizzare fasci polarizzati in un anello di accumulazione ha aperto delle prospettive sperimentali completamente nuove.
La disponibilità di fasci di protoni e deuteroni polarizzati e della relativa polarimetria, rende l’anello COSY un ambiente unico ed ideale per l’effettuazione studi di fattibilità legati alla ricerca del momento di dipolo elettrico. Uno di questi riguarda lo studio della vita media della polarizzazione del fascio. A questo scopo è stato intrapreso un programma di misure per studiare l’effetto dei parametri del fascio sulla vita media della polarizzazione nel piano orizzontale, altrimenti detta “tempo di coerenza di spin”. Paolo Lenisa è co-Spokesperson di un programma di misure dedicate alla determinazione del tempo di coerenza di spin presso l’anello COSY. Uno degli effetti studiati è quello dell’effetto delle oscillazioni di sincrotrone e betatrone e la possibilità della loro compensazione tramite cavità a radiofrequenza e sestutpoli. Gli studi effettuati su un fascio di deuteroni polarizzati hanno confermato sperimentalmente questa possibilità e dimostrato la realizzabilità di tempi di coerenza di spin dell’ordine del migliaio di secondi, soddisfacendo ad una delle richieste fondamentali per l’esperimento finale. Tale risultato costituisce una milestone nella ricerca del momento di dipolo elettrico tramite anelli di accumulazione e sarà di fondamentale importanza nel disegno dell’anello finale per l’esperimento [PRL, accepted for publication].
Paolo Lenisa è promotore di un esperimento per la misura dell’EDM dell’elettrone presso i Laboratori Nazionali di Frascati. Un tale esperimento, oltre che per le sue prospettive di fisica risulterebbe interessante dal punto di vista sperimentale per le caratteristiche dell’anello di accumulazione elettrostatico associato. La combinazione della cinematica favorevole per l’elettrone e degli attuali sviluppi tecnologici su campi elettrici in vuoto, rende infatti l’esperimento realizzabile con un acceleratore di dimensioni limitate (dai 20 ai 50 metri di circonferenza) e costi decisamente contenuti [Frascati Phys.Ser. 60 (2015) 168]. Tale macchina rappresenterebbe inoltre un banco di prova ideale per lo studio di soluzioni tecnologiche innovative e degli effetti sistematici legati ad un anello elettrostatico di nuova generazione. Da questo punto di vista, notevoli sinergie si possono presenterebbero con gli anelli di accumulazione di maggiori dimensioni necessari per lo studio di protone e deuterone. Onde stimolare la discussione della comunità sul tema, Paolo Lenisa è co-organizzatore di un Workshop dedicato previsto a Mainz nel settembre prossimo [http://indico.mitp.uni-mainz.de/conferenceDisplay.py?confId=38].
Un’ulteriore attività in cui Paolo Lenisa sta coinvolgendo il suo gruppo, è legata alla possibile applicazione della tecnologia dei bersagli polarizzati nella cosiddetta “fusione polarizzata”. Paolo Lenisa è promotore di un accordo di Collaborazione scientifica tra la Sezione INFN di Ferrara, il Kurchatov Institute (Gatchina, Russia) ed il FZJ (Jülich, Germania) per lo studio di reazioni di fusione di elementi leggeri con polarizzazione delle particelle iniziali. Il progetto si propone di misurare sezione d’urto e distribuzione angolare dei prodotti per le reazioni di fusione nucleare D+D e D+3He nell’intervallo di energia 10-100KeV. Tale misura, oltre a rivestire un interesse fisico in sé, è legata alla possibilità di utilizzare deuteroni polarizzati come combustibile per gli impianti termonucleari a fusione. Onde promuovere l’iniziativa, Paolo Lenisa è stato chair di un Workshop dedicato presso l’ECT* di Trento [http://www.ectstar.eu/node/379]. Nell’ambito dell’accordo di collaborazione, una sorgente atomica in dotazione alla Sezione INFN di Ferrara è stata trasportata presso il Kurchatov Institute di Gatchina nel corso del 2014. Dopo una fase di adattamento della sorgente e di commissionamento dell’intero apparato sperimentale, si prevede di iniziare la presa dati entro il 2016.
 
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ATTIVITA’ SCIENTIFICA - CRONOLOGIA E CONTRIBUTI PERSONALI

• Sviluppo di tecniche innovative di raffreddamento tramite fascio laser (1994-1998)
La ricerca svolta nell'ambito della tesi di dottorato ha riguardato lo sviluppo di nuove tecniche di raffreddamento e diagnostica tramite laser per fasci di ioni confinati in un anello di accumulazione. La tecnica di raffreddamento laser costituisce il più efficace metodo di raffreddamento di un fascio di ioni nello spazio delle fasi longitudinale ed utilizza la pressione di radiazione generata da un fascio laser risonante con una transizione chiusa tra due i livelli energetici degli ioni immagazzinati. Paolo Lenisa è stato propositore di un metodo innovativo di raffreddamento laser in grado di migliorare l'efficienza del raffreddamento. Il maggiore ostacolo al raffreddamento laser longitudinale in un anello di accumulazione per ioni è costituito dal fenomeno delle collisioni interne (intrabeam-scattering). Le collisioni binarie coulombiane tra le particelle del fascio sono in grado di trasferire parte dell'energia cinetica dei gradi di libertà trasversi, che non sono affetti dal raffreddamento laser, al grado di libertà longitudinale portando gli ioni al di fuori dell'intervallo di velocità di risonanza forza spontanea e quindi facendoli effettivamente perdere al ciclo di raffreddamento. L'idea proposta consiste nell'utilizzo di un cosiddetto “laser bianco", cioè con una grande ampiezza spettrale la quale compensi lo spostamento Doppler e consenta a ioni con velocità diverse di essere contemporaneamente risonanti con la radiazione. Paolo Lenisa ha collaborato alla prima realizzazione in assoluto di un laser a largo spettro (500 MHz) completamente controllabile in intensità e frequenza. Un test della tecnica proposta e della sorgente realizzata è stato effettuato con successo presso l'anello di accumulazione TSR di Heidelberg ed ha dimostrato l’efficacia della tecnica proposta nel contrastare l'effetto delle collisioni coulombiane tra le particelle. I temi esposti hanno costituito argomento della tesi di dottorato, discussa presso l’Università La Sapienza di Roma, con giudizio unanime della Commissione: "ottimo", in data 17.07.97 dal titolo: "Sviluppo di nuove tecniche di raffreddamento e diagnostica laser per un fascio di ioni immagazzinato in un anello di accumulazione".
Dal 04.97 al 08.98 Paolo Lenisa ha usufruito di un contratto post-dottorato presso il Max-Planck Institut für Kernphysik in Heidelberg dove ha continuato l’attività di sperimentazione sullo studio di tecniche di raffreddamento di ioni in un anello di accumulazione.

• Coordinatore del bersaglio polarizzato dell’esperimento HERMES presso il DESY di Amburgo (2000-2005).
L’esperimento HERMES, principalmente dedicato allo studio della struttura in spin del protone, è stato in funzione sull’anello di accumulazione HERA presso il DESY di Amburgo dal 1995 al 2007. Lo spettrometro di HERMES rivela gli eventi generati dalla diffusione profondamente anelastica di elettroni o positroni polarizzati di energia pari 27.5 GeV su un bersaglio interno polarizzato. Oltre all’identificazione degli eventi inclusivi, lo spettrometro di HERMES è fornito di un rivelatore RICH con un doppio radiatore in grado di distinguere pioni, kaoni e protoni e di uno spettrometro in grado di rivelare fino a 14 tracce cariche, consentendo analisi semi-inclusive ed esclusive.
Dal 1996 al 2005 HERMES ha utilizzato un bersaglio polarizzato interno di idrogeno/deuterio. L’orientazione dello spin del bersaglio è stata garantita dall’applicazione di un campo magnetico esterno che ha avuto direzione longitudinale fino al 2000 ed è stato cambiato a traverso nel 2001. Il bersaglio polarizzato è stato smontato nel 2005 per lasciare posto ad un rivelatore di rinculo a grande accettanza. In particolare, il bersaglio stesso è stato realizzato tramite un fascio di atomi polarizzati che dopo essere stati prodotti da una sorgente atomica venivano iniettati all’interno di una cella di accumulazione che era parte integrante del tubo a vuoto dell’anello stesso; gli atomi diffondevano poi verso gli estremi aperti della cella e venivano rimossi da un efficiente sistema di pompaggio. Onde limitare i fenomeni di ricombinazione e depolarizzazione dovuti alle collisioni degli atomi con le pareti, la cella di accumulazione era rivestita di un materiale polimerico inerte a base di silicio (Drifilm) [NIMA 496 (2003) 277]. Un campione di gas dalla cella, diffuso attraverso un secondo tubo laterale, veniva analizzato tramite un quadrupolo di massa per determinarne la frazione atomica ed un polarimetro di Breit-Rabi per misurarne la polarizzazione atomica [NIMA 482 (2002), 606].
Paolo Lenisa ha svolto la funzione di coordinatore del gruppo di gestione bersaglio nel periodo 2000-2005. Il gruppo di gestione del bersaglio era costituito da una collaborazione internazionale di fisici che includeva oltre che l'Università di Ferrara, le Università di Erlangen, Monaco e Madison nonché collaboratori esterni del MIT di Boston e dell'Università di Novosibirsk.
Nel lungo periodo di presa dati, il bersaglio di HERMES, unico nella fisica delle alte energie ad adottare questa delicata tecnologia, è passato da una fase artigianale ad una pienamente professionale, come dimostrano la stabilità dei dati raccolti e la riduzione degli errori sistematici (vedi per esempio [A.59]. E’ proprio al fine di documentare questo progresso tecnologico che è stato intrapreso un attento lavoro di descrizione delle diverse parti dell’apparato e delle tematiche di fisica coinvolte nel funzionamento del bersaglio, lavoro che è sfociato nella pubblicazione 10 articoli dedicati su rivista internazionale[NIMA 482 (2002) 606, EPJD 18 (2002) 37, NIMA 508 (2003) 268 , NIMA 482 (2002) 1 , NIMA 505 (2003) 633 , NIMA 496 (2003) 277, NIMA 496 (2003) 263, EPJD 29 (2004) 21, NIMA 540 (2005) 68, EPJD 48 (2008) 343].
Una problematica addizionale nella gestione di un bersaglio come quello di HERMES che ha coinvolto un periodo di presa dati di diversi anni, è stata rappresentata dalla necessità di conciliare le esigenze dell’esperimento con quelle peculiari degli operatori che erano studenti di laurea o dottorato e quindi necessitavano di argomenti validi per i lavori di tesi. Per questa ragione, parallelamente alla presa dati di HERMES sono state fatte e pubblicate alcune interessanti misure dedicate di fisica atomica, rese possibili dal controllo delle sistematiche del bersaglio ed il suo opportuno utilizzo e dalla duttilità del bersaglio. Questi lavori sono brevemente descritti di seguito.
Uno di questi è rappresentato dalla prima misura della polarizzazione nucleare di molecole di idrogeno ricombinate su una superficie inerte, quale è quella rappresentata dalla cella di accumulazione. Tale misura è stata effettuata utilizzando l’asimmetria di doppio spin nella sezione d’urto di collisione elettrone polarizzato protone polarizzato (denominata A1), in particolare sfruttando l’indipendenza dell’interazione elementare tra fotone virtuale e quark dall’appartenenza del protone stesso ad un atomo o ad una molecola. L’originalità dell’approccio deriva dall’utilizzo di uno spettrometro di fisica della alte energie per una delicata misura di fisica delle superfici. Il risultato è stato argomento di tesi di dottorato di cui Paolo Lenisa è stato relatore e di pubblicazione su rivista internazionale [EPJ D 29 (2004) 21]. L’applicazione della misura ai dati di polarizzazione raccolti con Idrogeno, ha permesso una riduzione dell’errore sistematico totale di tali dati di quasi il 50 %.
Un’ulteriore misura di fisica atomica effettuata col bersaglio di HERMES è stata la prima misura della sezione d’urto delle collisioni a scambio di spin tra atomi di idrogeno a bassa temperatura (50 K-100 K). Tale misura, di interesse in campo astrofisico, è stata possibile grazie alla duttilità del bersaglio di HERMES che consente di iniettare nella cella e successivamente di rivelare qualunque combinazione di stati iperfini dell’atomo di idrogeno, ed offre inoltre la possibilità di variare la temperatura del gas variando la temperatura della cella. L’effettuazione della misura ha richiesto il completo controllo delle complesse sistematiche del bersaglio ed è stata effettuata senza penalizzare l’ordinaria presa dati dell’esperimento. I risultati sono stati argomento di tesi di dottorato di cui Paolo Lenisa è stato relatore e ed è stata oggetto di pubblicazione su rivista internazionale [EPJ D 48 (2008) 343].
Va infine menzionato come l’esperienza acquisita ed i contatti con le Università americane di Madison ed Argonne, hanno consentito di trasferire la complessa e delicata tecnica di produzione e di rivestimento delle celle dal laboratorio dell’Università di Madison-Wisconsin all’officina meccanica dell’Università e INFN di Ferrara., che ha avuto la responsabilità del disegno e produzione delle celle di accumulazione sia per HERMES dal 1998 al 2007, che, attualmente dell’esperimento OLYMPUS (vedi paragrafo seguente).
Nel periodo di presa dati 2000-2005 il bersaglio di HERMES ha raccolto circa 20 milioni di eventi DIS polarizzati. Di questi, oltre 10 milioni di eventi sono stati raccolti con deuterio polarizzato longitudinalmente e costituiscono a tutt’oggi il miglior campione esistente dal punto di vista della statistica e dell’errore sistematico sulla misura di polarizzazione. I 6 milioni di eventi raccolti con un bersaglio di idrogeno polarizzato trasversalmente rappresentano il primo campione del genere in assoluto.

- Selezione di alcuni risultati sperimentali dell’esperimento HERMES.
La produzione dell’esperimento HERMES copre un ampio spettro nel campo della fisica adronica e dello spin in particolare. Nel seguito si presentano alcuni risultati legati alle prese dati con bersaglio polarizzato in cui i gruppi coordinati da Paolo Lenisa hanno dato un sostanziale contributo sia dal punto di vista sperimentale, come nel caso della gestione del bersaglio polarizzato stesso, o dell’analisi dati, come nel caso dei dati trasversi.
- Diffusione profondamente inelastica inclusiva su bersaglio longitudinalmente polarizzato.
Nel periodo 1996-1997, HERMES ha raccolto circa 3 milioni di eventi di diffusione profondamente inelastica (DIS) con un bersaglio longitudinalmente polarizzato di idrogeno. Tale statistica, ha consentito di misurare la funzione di struttura g1p(x) del protone con un’accuratezza comparabile a quella della più precisa misura esistente effettuata a SLAC dagli esperimenti E143 ed E155 [PRD 75 (2007) 012007]. I risultati di HERMES si estendono a valori di x più bassi di quelli di SLAC in una regione finora coperta solo dall’esperimento SMC e sono in perfetto accordo con quelli degli esperimenti precedenti. La funzione g1p(x) presenta segno positivo e risulta massima intorno a valori di x~1/3 che caratterizzano la regione dei quarks di valenza. In associazione alla cosiddetta dominanza dell’u-quark del protone (costituito da due u-quarks ed un unico d-quark, pesati con il quadrato della carica nella sezione d’urto) questo risultato rispecchia la tendenza dell’ u-quark ad essere positivamente polarizzato (Δu>0), cioè, ad orientarsi parallelamente allo spin del protone.
Sulla base degli oltre 10 milioni di eventi DIS raccolti con un bersaglio longitudinalmente polarizzato di deuterio nel periodo 1998-2000, HERMES ha potuto effettuare la più precisa misura esistente della funzione di struttura g1d(x) del deuterone. In modo analogo a g1p(x) anche la funzione di struttura g1d(x) presenta un massimo intorno alla regione a valori di x ~1/3, ma il suo modulo è inferiore. Un’analisi di questo risultato che tenga in considerazione la composizione di quarks di valenza del deutone, evidenzia indirettamente la tendenza del d-quark ad essere negativamente polarizzato (Δd<0), cioè ad essere orientato anti-parallelamente rispetto allo spin del protone. Nella regione a basso x (x<0.04), dati di HERMES sono compatibili con 0, in accordo quelli di COMPASS, mentre i dati di SMC favorirebbero g1d<0.
Nel complesso, HERMES ha aggiunto dati nuovi e più precisi nel suo dominio cinematico agli esperimenti di prima e seconda generazione, in particolare per il bersaglio di deuterio. E’ anche importante rilevare che i dati di HERMES (oltre che quelli di SLAC), sono stati raccolti a momenti trasferiti significativamente inferiori a quelli di esperimenti precedenti come EMC e SMC. Questo fatto ha consentito di effettuare un’analisi globale del comportamento delle funzioni di struttura polarizzate per tutto l’insieme di dati mondiali tramite tecniche di QCD perturbativa. Queste analisi hanno consentito oltre che di ricavare indirettamente la polarizzazione dei quarks di diverso sapore, anche di derivare una stima per i limiti superiore ed inferiore alla polarizzazione dei gluoni.
Il deutone è un oggetto di spin-1 e per descrivere completamente la sua struttura a livello di leading-order è necessaria una funzione di struttura ulteriore alle due menzionate, chiamata b1. Essa è legata ad effetti nucleari e svanirebbe se il deuterone consistesse semplicemente di un protone e di un neutrone in uno stato relativo di onda s. HERMES è l’unico esperimento di DIS nel quale sia risultato possibile realizzare un bersaglio che presentasse polarizzazione tensoriale con la quale è stato possibile misurare b1 [PRL 95 (2005) 242001]. Il valore misurato per b1 si è dimostrato piccolo, ma non nullo e può essere interpretato come risultato dello stesso meccanismo che conduce all’effetto di shadowing nel caso della diffusione non polarizzata. In pratica, il fotone virtuale è sensibile all’allineamento spaziale relativo di protone e neutrone ed interagisce prima con il protone e poi con il neutrone.
- Diffusione inelastica semi-inclusiva con bersaglio longitudinalmente polarizzato.
Il principale svantaggio delle reazioni inclusive è che esse sono sensibili solamente al quadrato della carica del quark, ma sono indipendenti dal suo sapore e conseguentemente forniscono solamente informazioni relative alla somma dello spin dei quarks. Onde ottenere informazioni relative al contributo allo spin del nucleone per ogni singolo sapore di quarks è necessario ricorrere a reazioni semi-inclusive (SIDIS) in cui, oltre al leptone, vengano rivelate anche alcune delle particelle generate nel processo di adronizzazione. Il quark che ha assorbito il fotone virtuale lascia il nucleo e frammenta in adroni. L’osservazione (di una parte) di questi adroni può essere utilizzata come filtro per individuare il sapore del quark originale (tecnica di flavour-tagging). L’analisi delle asimmetrie semi-inclusive raccolte negli anni 1996-2000 con idrogeno e deuterio longitudinalmente polarizzati, ha consentito alla collaborazione HERMES di misurare per la prima volta in modo diretto la polarizzazione longitudinale dei quarks u e d di valenza e dei quark s del mare [PRL 92 (2004) 012005, PRD 71 (2005) 012003]. Confermando le indicazioni indirette delle misure inclusive, la polarizzazione del u-quark è risultata positiva con polarizzazione maggiore a grandi x dove i quark di valenza dominano, mentre la polarizzazione del d-quark risulta negativa. Le misure evidenziano inoltre che la polarizzazione dei quarks del mare è piccola. Nel loro complesso, tutte queste misure mostrano definitivamente che lo spin dei quarks genera meno della metà dello spin del protone e che l’unico contributo dai quarks deriva da quelli di valenza.
- Diffusione inelastica semi-inclusiva con bersaglio trasversalmente polarizzato: trasversità
La distribuzione di spin traverso h1 rappresenta l’ultimo tassello della descrizione della struttura partonica leading del nucleone: h1 misura la differenza di probabilità di trovare un quark polarizzato in verso parallelo e opposto alla polarizzazione di un nucleone polarizzato trasversalmente rispetto alla direzione del moto. Essa non è stata misurata direttamente, in quanto è una funzione “chirally-odd”, e non è accessibile tramite la diffusione inclusiva profondamente anelastica. La densità h1 può essere estratta da misure delle asimmetrie di spin delle sezioni d’urto di processi SIDIS tra leptoni e nucleoni polarizzati in cui venga rivelato anche un adrone nello stato finale. In tali processi l’asimmetria misurabile è dovuta all’effetto combinato di h1 e di un’altra funzione chirally-odd che descrive il processo di frammentazione dei quarks polarizzati trasversalmente (funzione di frammentazione di Collins H1⊥).
La presa dati ad HERMES con un bersaglio di idrogeno trasversalmente polarizzato è iniziata nel 2002 e si è conclusa nel 2005. Il gruppo di Ferrara, grazie anche al supporto di tre finanziamenti PRIN, di cui Paolo Lenisa è risultato responsabile locale, è stato coinvolto in modo decisivo nell’analisi dati. La statistica raccolta ha permesso lo studio di asimmetrie azimutali nella produzione di pioni e kaoni. Le asimmetrie rivelate sono in particolare legate a due effetti. Oltre al menzionato contributo della convoluzione tra la distribuzione di trasversità h1 e la funzione di frammentazione di Collins, esiste un contributo rappresentato dalla distribuzione di Sivers, e legato ad una correlazione tra la polarizzazione trasversa del nucleone e il momento trasverso intrinseco dei quarks. Essa segnala che il momento traverso dei quarks non può più essere trascurato nella descrizione leading delle interazioni ed indica che il momento orbitale dei quarks è diverso da zero. Con l’ausilio di un bersaglio trasversalmente polarizzato, i meccanismi di Collins e Sivers possono essere separati, in quanto presentano diverse dipendenze azimutali rispetto all’asse della polarizzazione traversa. HERMES ha pubblicato le prime asimmetrie di spin singolo nella produzione di adroni da un bersaglio trasversalmente polarizzato [PRL 94 (2005) 012002, PLB 693 (2010) 11]. I dati di HERMES hanno permesso per la prima volta di stabilire che sia il processo di Collins che quello di Sivers originano asimmetrie non nulle. Per quanto riguarda il processo di Collins, i momenti medi sono risultati positivi per i π+ e negativi per i π- qualitativamente in accordo con i modelli che, in analogia con le densità di elicità Δu e Δd, prevedono δu positivo e δd negativo. Le asimmetrie azimutali rivelate da HERMES in combinazione con quelle dell’esperimento COMPASS al CERN dell’esperimento BELLE, hanno permesso di effettuare la prima estrazione della funzione trasversità per i quarks u e d, risultato che può essere considerato una milestone per la fisica dello spin.
L’osservazione di asimmetrie di Sivers [PRL 94 (2005) 012002, PRL 103 (2009) 152002] non nulle ha costituito la prima evidenza sperimentale diretta di un momento angolare orbitale del quark non nullo. Sebbene una completa ed esaustiva interpretazione di tutte le asimmetrie misurate non sia ancora disponibile, i dati raccolti hanno consentito la prima estrazione delle funzione di Sivers per quarks u e d che indicano una tendenza dei quarks u a ruotare in modo concorde con lo spin del protone, ed a ruotare in senso opposto per i quarks d.

• Propositore in qualità di Co-spokesperson della proposta di esperimento PAX presso la nuova facility FAIR a Darmstadt Germania (2004-2006)
Paolo Lenisa è coautore, in qualità di co-spokesperson, della proposta di esperimento PAX per la nuova facility FAIR presso il GSI a Darmstadt [hep-ex/0505054]. Alla base della proposta PAX vi è la possibilità di realizzare il primo fascio intenso di antiprotoni polarizzati tramite tecnica di “filtraggio in spin “ ( spin filtering) in un anello di accumulazione.
La disponibilità di un fascio di antiprotoni polarizzati consentirebbe alcune misure di asimmetrie di spin singolo e doppio spin che renderebbero per la prima volta accessibili diverse grandezze fisiche. Per esempio, un tale fascio permetterebbe di accedere alla trasversalità in modo diretto e complementare alle misure SIDIS. Infatti, le asimmetrie azimutali nella produzione di coppie Drell-Yan nell’urto tra protoni e antiprotoni trasversalmente polarizzati, dipendono esclusivamente dal prodotto h1*h1 e ne permettono una misura diretta. L’asimmetria stessa è prevista essere dell’ordine del 20-30% nella regione in cui dominano i quarks di valenza. Oltre alla citata funzione trasversità, dalla misura delle asimmetrie azimutali di singolo e doppio spin nella produzione di coppie di leptoni da collisioni protone-antiprotone è possibile derivare modulo e fase dei fattori di forma elettromagnetici del protone nella regione tempo. Di particolare interesse per lo studio del ruolo dello spin nell’interazione adronica risultano le asimmetrie di spin doppio nelle collisioni elastiche protone antiprotone. Tali misure potrebbero contribuire all’interpretazione delle asimmetrie misurate nelle collisioni elastiche protone-protone con doppia polarizzazione che risultano tuttora prive di un adeguata spiegazione teorica.
La proposta ha suscitato notevole interesse, nell’ambiente scientifico internazionale della fisica adronica e raccolto il consenso di circa 200 fisici afferenti a 35 istituzioni internazionali (20 dei quali europei) che hanno firmato la lettera di Intenti inviata al Direttorato del GSI nel gennaio 2004 cui è seguito nel gennaio 2005 un Technical Proposal.
In qualità di Spokesperson Paolo Lenisa ha seguito tutti gli aspetti della proposta, ma si e’ dedicato particolarmente alle problematiche legate agli acceleratori. Infatti, per quanto riguarda la macchina, data la complessità del progetto, è stato necessario formare un vero e proprio gruppo di lavoro. Il gruppo comprende acceleratoristi di Jülich, di BNL e di Dubna con esperienza sia nel campo della polarizzazione che in quello dei colliders.
La realizzazione delle misure proposte dovrebbe avvenire in due fasi corrispondenti alle fasi di realizzazione del sistema di acceleratori. La prima fase prevede un esperimento in cui gli antiprotoni polarizzati in un dedicato anello polarizzatore, vengano immagazzinati in un ulteriore anello ad accelerati fino ad un momento di 3.5 GeV/c e fatti quindi collidere su un bersaglio gassoso interno polarizzato. Le condizioni cinematiche offerte da tale soluzione si rivelano ideali per lo studio di fattori di forma e collisioni elastiche. Un anello di tali caratteristiche è stato individuato nell’anello COSY, attualmente in operazione presso l’FZJ a Jülich. La seconda fase prevede la realizzazione di un collisionatore asimmetrico protone antiprotone con doppia polarizzazione. L’immagazzinamento degli antiprotoni nell’anello COSY e dei protoni nell’anello HESR, previsto per la facility FAIR con un momento massimo di 15 GeV/c, permetterebbe di realizzare urti con un’energia nel centro di massa √s~15 GeV, che si rivela ideale per lo studio della trasversità.
I tempi lunghi dell’esperimento e la necessaria priorità dovuta alla completa comprensione del processo di polarizzazione degli antiprotoni, confluita nelle proposte di esperimenti dedicati che verranno presentate nel seguito, hanno limitato lo studio del rivelatore a livello di disegno concettuale. Elemento fondamentale del rivelatore è rappresentato da un magnete toroidale che presenta un campo nullo lungo l’asse del fascio e consente nella prima fase della sperimentazione l’utilizzo di un bersaglio interno polarizzato con la possibilità di orientare a piacere l’asse magnetico di quantizzazione.
Il programma di fisica dell’esperimento PAX è stato giudicato di eccellenza dal Program Advisory Committee della facility FAIR. Tuttavia l’implementazione dell’esperimento PAX all’interno della facility è stato subordinato alla dimostrazione di fattibilità della tecnica di polarizzazione proposta: lo spin-filtering. La conferma della polarizzabilità di un fascio accumulato di protoni tramite spin-filtering, e la dimostrazione che questo meccanismo come l’unico in grado di polarizzare i nucleoni accumulati in un anello è stata raggiunta recentemente con una serie di esperimenti dedicati realizzati all’anello COSY al FZJ-Jülich. Paolo Lenisa è uno dei promotori di questa serie di iniziative sperimentali legate alla studio dei meccanismi di produzione di un fascio di antiprotoni polarizzati. La sua attività in questo campo è qui di seguito brevemente descritta. Nell’ambito della sua collaborazione con COSY al FZJ-Jülich Paolo Lenisa ha agito in qualità di Spokesperson di Collaborazione Internazionale.

• Ideazione preparazione e gestione in qualità di Spokesperson di una misura depolarizzazione di un fascio di protoni presso l’anello COSY al FZJ-Jülich (2007-2008).
In linea di principio, ci sono due possibilità per polarizzare un fascio di particelle di spin ½, come gli antiprotoni, immagazzinato in un anello di accumulazione. Il primo, detto di “spin-flip” si basa sulla possibile esistenza di un meccanismo che dia luogo ad una diversa probabilità di transizione tra stato up e down rispetto al processo opposto. Il secondo, detto di “spin-filtering”, prevede l’utilizzo di un processo che elimini selettivamente dall’anello di accumulazione uno stato rispetto all’altro.
E’ in questo ambito che si inquadra una misura di depolarizzazione di un fascio di protoni, effettuata presso l’anello COSY del Forschungszentrum di Jülich nel 2008. L’esperimento è stato motivato dalla possibilità di provare sperimentalmente una proposta di un innovativo metodo di polarizzazione di un fascio di antiprotoni per interazione di scambio di spin con un fascio polarizzato di positroni quasi copropagante (tecnica di spin-flip). Tale proposta è stata avanzata da un gruppo di fisici dell’Università di Mainz nel 2007. Nonostante le limitate intensità per un fascio di positroni polarizzati ottenibili con l’attuale tecnologia, la proposta è risultata di interesse per le elevate sezioni d’urto a scambio di spin calcolate dai proponenti (>1013 barn). Il metodo si è prestato ad una favorevole prova sperimentale presso l’anello COSY. Rispetto alla proposta, nel test sperimentale effettuato, sono state invertiti sia la carica dei due fasci (si sono utilizzati protoni ed elettroni invece di antiprotoni e positroni) che il ruolo dei fasci stessi. In particolare utilizzando il principio secondo il quale se il meccanismo di trasferimento di spin è attivo per trasferire polarizzazione da un fascio di positroni (elettroni) inizialmente polarizzato ad un fascio di antiprotoni (protoni) inizialmente non polarizzato, allora lo stesso meccanismo deve essere attivo per depolarizzare un fascio di antiprotoni (protoni) inizialmente polarizzato per interazione con un fascio di positroni (elettroni) inizialmente non polarizzato. L’anello COSY ha offerto le condizioni sperimentali ideali per l’effettuazione di un tale test disponendo di un fascio di protoni polarizzati e di un sistema di raffreddamento ad elettroni in grado di produrre un fascio di elettroni non polarizzati con la possibilità di variare in modo controllato la velocità relativa tra fascio di elettroni e protoni.
Il limitato intervallo energetico di efficacia del sistema di raffreddamento elettronico a COSY ha orientato l’effettuazione della misura all’energia di iniezione del fascio di protoni (45 MeV). Il ciclo di misura stesso è stato organizzato in due fasi. Nella prima fase, quella di depolarizzazione, il fascio di elettroni è stato alternativamente sintonizzato e desintonizzato in energia rispetto a quello di protoni. Tale alternanza ha avuto lo scopo di evitare di degradare le caratteristiche del fascio di protoni nella fase di depolarizzazione. Le stime teoriche prevedevano infatti una sezione d’urto massima (e quindi il massimo effetto di depolarizzazione) per energie cinetiche relative tra il fascio di protoni e di elettroni di circa 2 keV. In questa condizione, il fascio di elettroni cessa la sua funzione di raffreddamento ed il fascio di protoni inizia a riscaldarsi. Onde evitare questo effetto il tempo di desintonizzazione del fascio di elettroni rispetto all’energia nominale va limitato. Un test diretto sul fascio effettuato nel Novembre 2007, preliminare alla misura effettuata nel febbraio 2008, ha permesso di fissare i tempi relativi per l’alternanza delle due condizioni energetiche del fascio in intervalli di 5 secondi. Nella seconda fase del ciclo di misura la polarizzazione del fascio è stata misurata utilizzando le asimmetrie di singolo spin nella diffusione elastica del fascio di protoni con un bersaglio di deuterio. Nel caso specifico si è utilizzata la cluster-target dell’esperimento ANKE. Onde rivelare le asimmetrie destra-sinistra nella diffusione elastica dei deuteroni di rinculo è stato installato un sistema di due rivelatori telescopici al silicio. Il posizionamento del rivelatore è stato effettuato ottimizzando il fattore di merito della reazione di diffusione (quadrato del prodotto del potere analizzante per la sezione d’urto), mentre lo spessore dei rivelatori di silicio (300 μm) è stato scelto in modo da garantire l’identificazione dei deuteroni dai protoni. Dell’implementazione del rivelatore si è occupato il gruppo di Jülich. L’officina elettronica di Ferrara, sotto la coordinazione di Paolo Lenisa, ha contribuito al commissionamento dell’elettronica di acquisizione (Paolo Lenisa è relatore di una tesi di Laurea a riguardo) ed allo sviluppo della scheda di trigger per l’esperimento che è stata impiegata con successo nel turno di misura di Febbraio 2008.
Le misure effettuate non hanno evidenziato alcun effetto di depolarizzazione del fascio nell’ambito della statistica acquisita durante l’esperimento. L’esito negativo si è tradotto nell’espressione di un limite superiore alla sezione d’urto di trasferimento di spin legata al effetto di depolarizzazione. Tale limite è stato fissato a 5×107 barn che rende il metodo proposto tecnologicamente non applicabile anche considerando possibili sviluppi futuri in intensità delle sorgenti di positroni polarizzati. La misura è stata oggetto di pubblicazione su rivista internazionale [PLB 674 (2009) 269]. Una rivisitazione della misura con maggiore statistica è stata più recentemente pubblicata e Paolo Lenisa ha svolto la funzione di Reference Author verso la rivista [Nucl. Instr. Meth. A, 759 (2014) 6].
Paolo Lenisa, oltre ad essersi occupato dell’aspetto scientifico della sperimentazione si è anche adoperato per la ricerca di fondi per il supporto finanziario dell’attività. La componente italiana della Collaborazione è stata supportata oltre che dall’INFN (Paolo Lenisa è responsabile nazionale dell’esperimento PAX), da una Joint Research Activity (I3HP2) finanziata dalla Comunità Europea per il periodo 2008-2011. Una parte dell’attività del Work-Package (WP 25: PolAntiP) di tale JRA, di cui Paolo Lenisa è responsabile locale, è stata motivata dagli studi di depolarizzazione menzionati. Tramite i fondi del finanziamento, l’unità di Ferrara ha supportato 3 assegni annuali dedicati allo sviluppo dell’apparato sperimentale ed all’analisi dei dati raccolti.

• Ideazione, preparazione e gestione in qualità di Spokesperson di una misura di filtraggio in spin presso l’anello COSY (2009-2011).
La dimostrazione sperimentale che la tecnica dello spin-flip non fosse utilizzabile per polarizzare un fascio immagazzinato di antiprotoni ha lasciato come unica possibilità l’utilizzo del meccanismo di filtraggio in spin. Per questa ragione, nell’Aprile 2009,, Paolo Lenisa in qualità di Spokesperson della Collaborazione PAX si è fatto promotore di un esperimento di filtraggio in spin su protoni presso l’anello COSY a Jülich. Scopo delle misure era duplice: confermare la conoscenza teorica del processo di filtraggio in spin da un lato e commissionare l’apparato sperimentale per una successiva eventuale sperimentazione sugli antiprotoni dall’altro.
La fase di preparazione della misura ha avuto una durata di quasi tre anni che sono stati utilizzati per installare e commissionare all’interno dell’anello COSY l’apparato sperimentale richiesto. Una sezione di interazione dedicata ad un esperimento di filtraggio in spin è costituita da tre elementi fondamentali: a) un set di magneti quadrupolari per la realizzazione di una sezione a basso-β dove installare la cella di accumulazione per il gas polarizzato; b) un bersaglio interno di idrogeno polarizzato con relativo polarimetro e c) un polarimetro del fascio.
I magneti utilizzati per la realizzazione del punto di interazione sono stati recuperati dal decomissionamento dell’ anello CRYRING di Stoccolma. Per la realizzazione del bersaglio è stato utilizzato l’apparato dell’esperimento HERMES, opportunamente aggiornato, mentre la polarizzazione del fascio è stata misurata tramite l’asimmetria degli eventi di diffusione elastica rivelati tramite una coppia di telescopi al silicio gestiti dalla Collaborazione ANKE, e già precedentemente utilizzati per l’esperimento di depolarizzazione.
Una fase importante del commissionamento dell’esperimento ha riguardato lo studio dell’acceleratore ed il miglioramento delle sue prestazioni. Nella prospettiva di un esperimento di filtraggio in spin e della polarizzazione finale indotta nel fascio, un parametro fondamentale è costituito dalla vita media del fascio. Grazie ad una serie di studi di macchina dedicati ed al miglioramento delle condizioni di vuoto dell’anello, la vita media del fascio è stata migliorata di un fattore superiore a 20, portandola ad un valore di τ=8000 s che è stato quello utilizzato nella misura. A tal riguardo è in preparazione un articolo su rivista internazionale.
Infine, nel corso del 2011 è stato effettuato il test di filtraggio in spin con protoni. Scopo dell’esperimento era la misura della dipendenza dallo spin della sezione d’urto protone-protone nel caso di polarizzazione trasversa. Onde effettuare la misura, è stato implementato un opportuno ciclo di gestione dell’anello: dapprima si inietta nell’anello un fascio di protoni non polarizzati protoni; il fascio viene raffreddato (tramite raffreddamento ad elettroni) ed accelerato all’energia della misura. A questo punto si “accende” il bersaglio polarizzato ed il processo di spin-filtering inizia. La durata di questa fase, pari a 1.5 – 2 vite medie del fascio, è stata determinata in modo da ottimizzare la statistica per la successiva fase di misura della polarizzazione. Infine il bersaglio polarizzato viene “spento”, e in un'altra parte dell’anello viene “acceso” un bersaglio di deuterio non polarizzato. La polarizzazione del fascio viene misurata attraverso l’identificazione dei processo di diffusione elastica tramite una coppia di telescopi al silicio.
Combinando la polarizzazione indotta nel fascio con altre informazioni quali la polarizzazione e densità del bersaglio e la frequenza di rivoluzione delle particelle nell’anello è stato possibile determinare la sezione d’urto polarizzata per interazione trasversa nella diffusione protone-protone. Il risultato ottenuto è in eccellente accordo con le previsioni teoriche e rappresenta una vera e propria pietra miliare per il campo di ricerca interessato, da un lato confermando l’attuale comprensione del processo di filtraggio in spin e dall’altro dimostrando il completo controllo dell’apparato sperimentale e delle sue incertezze sistematiche.
In qualità di Spokesperson della Collaborazione PAX, Paolo Lenisa ha seguito e diretto tutte le fasi della sperimentazione a partire dalla proposta, l’organizzazione della Collaborazione, il commissionamento dell’apparato sperimentale, l’effettuazione della misura ed infine l’analisi dei dati raccolti. L’esperienza e le conoscenze acquisite da Paolo Lenisa durante il periodo trascorso nell’esperimento HERMES, hanno permesso di fare uso di alcune delle risorse di tale esperimento che ha terminato la presa dati nel 2007. In particolare il bersaglio polarizzato ed il suo polarimetro sono stati trasportati a Jülich e riposti in funzione dopo un opportuno aggiornamento. Dal punto di vista organizzativo, si sono instaurati diversi gruppi di lavoro dedicati alle attività di progettazione e realizzazione. Oltre ai tre citati: bersaglio, rivelatore e acceleratori, addizionali gruppi di lavoro si sono formati per l’attività legata all’elettronica di acquisizione dati e controllo e all’attività di analisi dati raccolti negli esperimenti e relativa interpretazione teorica. Ogni gruppo di lavoro è stato gestito da un coordinatore. Le responsabilità dei vari gruppi sono state distribuite tenendo conto delle competenze dei vari Istituti della collaborazione partecipanti all’esperimento: oltre a quelli di Ferrara e Jülich, sono presenti anche Bari, Dubna, Erlangen, Mainz, San Pietroburgo per un totale di circa 50 collaboratori “attivi”. Oltre a regolari incontri, nell’attività di coordinazione della collaborazione è risultato utile l’utilizzo di teleconferenze (via Skype) e dall’introduzione di una pagina wiki onde facilitare lo scambio di documenti tra i diversi gruppi (http://apps.fz-juelich.de/pax/paxwiki/index.php/Main_Page).
La misura è stata oggetto di pubblicazione su rivista internazionale di cui Paolo Lenisa ha avuto la funzione di Reference Author Paolo Lenisa è stato Reference Author per la pubblicazione dedicata alla misura [Physics Lett. B 718 (2012) 64]. Un addizionale articolo pubblicato più recentemente è dedicato agli studi sistematici ed agli sviluppi di macchina legati alla misura stessa [Phys. Rev. ST – Accel. Beams, 18 (2015) 02010]. Paolo Lenisa risulta inoltre tutore di due tesi di dottorato legate alla preparazione ed all’effettuazione della misura.
Paolo Lenisa, oltre ad essersi occupato dell’aspetto scientifico della sperimentazione si è anche adoperato per la ricerca di fondi per il supporto finanziario dell’attività. La componente italiana della Collaborazione è stata supportata oltre che dall’INFN, da un Advanced Research Grant (POLANTIP) finanziato dall’European Research Council per il periodo 2010-2015 di cui Paolo Lenisa è responsabile scientifico per l’unità di Ferrara. Nell’ambito di tale progetto sono stati finanziati 5 assegni e tre contratti di Collaborazione Tecnica per l’Università di Ferrara.

• Propositore in qualità di Spokesperson della misura della dipendenza dallo spin-della sezione d’urto protone antiprotone presso l’anello AD del CERN (2009).
Contemporaneamente alla sottomissione della proposta di esperimento di filtraggio in spin con protoni presso l’anello COSY, la Collaborazione PAX ha sottomesso un Technical Proposal al Comitato SPS del CERN per effettuare la prim