Il Large Hadron Collider (LHC): una nuova fisica delle alte energie


    Sono passati circa 2300 anni da quando Democrito ipotizzò per la prima volta l'esistenza degli atomi, dal greco atomos, cioè indivisibile, che ritenne essere le particelle ultime costituenti la materia ordinaria.

    Oggi sappiamo che gli atomi sono tutto tranne che particelle indivisibili e che sono invece costituiti da elettroni che orbitano attorno ad un nucleo costituito da protoni e neutroni.

    [inline: 1= Immagine - 1 - L'elettrone, l'up-quark e il down-quark sono i costitutenti fondamentali degli atomi.] Immagine - 1 - L'elettrone, l'up-quark e il down-quark sono i costitutenti fondamentali degli atomi. ©CPEP Contemporary Physics Education Project, cpepweb.org

    Nota per l'immagine - 1

    Se questa immagine fosse disegnata in scala dei protoni e neutroni, allora i quarks e gli elettroni avrebbero dimensioni inferiori a 0.1 millimetri e l'intero atomo avrebbe dimensioni pari a circa 10Km.

    La nostra visione moderna dell'atomo (rappresentata nell'immagine - 1) ci dice che i protoni e i neutroni sono a loro volta costituiti da particelle più piccole, chiamate quark, che possono certamente essere considerati gli atomi di Democrito ossia, per quanto ne sappiamo fino ad oggi, i mattoni fondamentali della materia ordinaria non ulteriormente divisibili.

    I protoni e i neutroni contengono una combinazione di 2 quark, chiamati quark- up e quark- down, e per una ragione che ancora non sappiamo esistono due copie identiche a questi ma con masse più grandi: le copie dei quark-up sono denominati quark- charm e quark-topmentre quelle dei quark-down sono chiamate quark- strange e quark- bottom.

    Le masse di queste particelle elementari hanno diversi valori e la particella più pesante tra esse è il quark-top, con una massa circa 100 mila volte maggiore dei quark-up e quark-down che sono invece i più leggeri.

    Lo studio delle proprietà del quark-top ci dà delle indicazioni importanti sull'origine stessa della massa presente nell'Universo.

    Nel corso del secolo scorso, le moderne teorie sul mondo degli atomi e lo sviluppo tecnologico ci hanno permesso di dimostrare come i fenomeni della natura sono governati da principi universali che si applicano su scale estremamente piccole e alquanto distanti dal mondo a cui siamo abituati.

    Il cosiddetto Modello Standard,rappresentato schematicamente nella Immagine - 2, è attualmente la migliore descrizione che i fisici teorici hanno delle particelle elementari.

    Esso rappresenta una grande conquista della fisica del XX secolo e ci dice che qualsiasi cosa che ci circonda è formata da particelle chiamate quark e leptoni (come l'elettrone, il neutrino) e che esistono quattro tipi di particelle portatrici dell'interazione elettromagnetica(fotone), nucleare forte (gluone) e nucleare debole (W± e Z°).

    [inline: 2= Immagine - 2 - il modello standard] Immagine - 2 - il modello standard

    Le forze della natura a noi più familiari sono l'elettromagnetismo e la forza di gravità , le altre due, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole, sono meno note.

    La forza forte tiene unite le particelle nei nuclei rendendoli stabili e senza di essa non ci sarebbero atomi, tranne che l'idrogeno, e quindi neanche la vita.

    La forza nucleare debole causa invece le reazioni nucleari che hanno permesso, ad esempio, al Sole di brillare per miliardi di anni.

    Come risultato, i neutrini vengono emessi dalla superficie del Sole e, arrivando fino alla Terra, passano attraverso il nostro corpo senza che ce ne accorgiamo essendo l'interazione estremamente debole.

    Anche se il Modello Standard ha avuto un enorme successo scientifico, non è completo.

    Ad esempio, se le forze e le particelle sono tutte quelle che conosciamo, il modello prevede che esse viaggino a velocità della luce ma questo non viene osservato.

    I teorici devono perciò introdurre una sorta di "mezzo misterioso" che permea l'Universo, chiamato campo di Higgs ed introdotto dal fisico teorico Peter Higgs (nella foto), non ancora rivelato, col quale le particelle interagiscono e nel quale esse si muovono in maniera più lenta.

    Inoltre, i fisici oggi sanno che circa il 96% della materia presente nell'Universo non è di tipo ordinario come noi la conosciamo e questo non può essere descritto nel Modello Standard.

    [inline: 3= Immagine - 3 - foto di Peter Higgs] Immagine - 3 - foto di Peter Higgs ©Peter Tuffy, Edinburgh University

    Infine, il modello non descrive la forza di gravità.

    La fisica delle particelle elementari è uno strumento scientifico importante mediante il quale è possibile studiare questi principi.

    Ma quali sono le leggi che governano l'energia, la materia, lo spazio ed il tempo ai livelli più fondamentali? Come sono connessi i fenomeni fisici su scale estremamente piccole?

    Esistono altri tipi di particelle o di forze a più alta energia che devono essere ancora rivelate?

    Sono i quark e i leptoni veramente le particelle fondamentali o hanno anch'esse una sottostruttura?

    Come può essere inclusa la forza di gravità nel Modello Standard?

    Per rispondere a queste domande, i fisici delle particelle tentano di creare e di identificare i costituenti più fondamentali dell'Universo creando collisioni ad alta energia negli acceleratori di particelle sempre più sofisticati.

    L'ultimo della serie si chiama Large Hadron Collider (LHC) dal quale ci si aspetta molto nel cercare di rispondere a queste domande.

    L'LHC, che sorge presso il CERN di Ginevra, e distribuito lungo un anello di 27 Km (vedi foto), entrerà in funzione il prossimo Novembre di questo anno e sarà l'acceleratore di particelle più potente mai costruito.

    Attraversando la serie di acceleratori che sorgono al CERN, fasci di particelle formati da miliardi di protoni, o ioni di piombo, e mantenuti in accelerazione per almeno 10 ore all'interno del tunnel, dove circoleranno in un'ambiente vuoto simile allo spazio intergalattico e più freddo ( -271 °C ), saranno fatti collidere a quasi la velocità della luce (ca 300.000 Km/sec) una volta giunti nell'anello dell'LHC - ad esempio, un protone lanciato alla velocità della luce effettuerà 11.245 giri al secondo.

    Ogni fascio sarà costituito da circa 3000 pacchetti di particelle, che a loro volta conterranno almeno 100 miliardi di particelle. Le particelle sono così piccole che la probabilità di scontro tra due di esse è estremamente bassa.

    Nel punto in cui i fasci si incroceranno, le collisioni saranno solo 20 su 200 miliardi di particelle.

    Ma poiché i fasci si incroceranno circa 30 milioni di volte al secondo, l'LHC produrrà fino a 600 milioni di collisioni al secondo.

    Le energie raggiunte nell'LHC sono talmente elevate che i fisici si aspettano con ansia di ottenere risultati inaspettati.

    L'LHC è una macchina capace di concentrare molta energia in uno spazio minuscolo.

    Negli acceleratori come LHC, l'unità di misura dell'energia delle particelle è il tera-elettronvolt (TeV).

    Un TeV equivale circa all'energia di volo di una zanzara ma il protone è circa mille miliardi di volte più piccolo della zanzara.

    L'energia di un protone in LHC sarà di 7 TeV, l'energia di una collisione tra due protoni raggiungerà i 14 TeV.

    Nel caso degli ioni di piombo che contengono molti protoni, l'energia di collisione sarà molto maggiore e raggiungerà il valore di 1150 TeV.

    Quando l'LHC raggiungerà la sua massima potenza, ognuno dei due fasci di particelle avrà un'energia equivalente pari a quella che avrebbe una macchina lanciata a circa 2000 Km/h.

    Lungo l'anello saranno posti quattro grandi e sofisticati rivelatori, denominati con gli acronimi ATLAS, ALICE, CMS e LHCb, che avranno lo scopo di osservare la varietà delle particelle che si creeranno durante le collisioni.

    Ci si aspetta infatti di misurare circa 600-800 milioni di eventi al secondo e si spera di rivelare subito i bosoni di Higgs, previste dal fisico teorico Peter Higgs, e considerate la chiave di svolta alla domanda sul perché le particelle hanno massa.

    In effetti, la missione dell'LHC si può paragonare al viaggio di Cristoforo Colombo nel Nuovo Mondo da cui ci si aspetta di aprire una porta ad una nuova fisica delle alte energie ben al di là di quelle che sono le nostre aspettative.

    Le enormi energie raggiunte dall'LHC ci porteranno a riprodurre le condizioni dell'Universo primordiale subito dopo il Big-Bang, come in una sorta di macchina del tempo, permettendo per la prima volta ai fisici di rivelare l'essenza stessa della materia.

    Continuando ad esplorare il Nuovo Mondo della Fisica, gli scienziati si aspettano di trovare le risposte alle domande sul perché esistono vari tipi di particelle, se ad un certo valore di energia tutte le forze diventano una, cosa è successo all'antimateria, e se esistono altri principi fondamentali che ancora non sappiamo.

    Quello che è certo è che con l'LHC si aprirà un nuovo orizzonte allo studio della fisica delle particelle elementari dove gli scienziati tenteranno di esplorare territori ancora sconosciuti della materia, dell'energia, dello spazio e del tempo.

    Appuntamento quindi fra qualche mese per analizzare i primi risultati degli esperimenti del più grande acceleratore di particelle al mondo.

    Nota:

    Il presente articolo sarà argomento di una conferenza che terrà l'autore il prossimo 31 maggio al Planetario di Milano - www.comune.milano.it/planetario

    Sitografia

    Higgs field - From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_field

    LHC - Large Hadron Collider Machine Outreach http://cern.ch/lhc-machine-outreach/

    CERN, LHC - Large Hadron Collider - Project Web Site http://lhc.web.cern.ch/lhc/

    The Standard Model - SLAC - Stanford Linear Accelarator Center, Menlo Park, CA http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/model.html



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