Il Large Hadron Collider e la "nuova fisica"

A scientist looks at a section of the Large Hadron Collider (LHC) which was used to prove the existence of the Higgs Boson—also

Un ingegnere al CERN (crediti: Cern).

 Mercoledì dal CERN è arrivato l’annuncio. Siamo ufficialmente in una nuova era per la fisica fondamentale, in cui si auspica la risoluzione di alcuni misteri dell’universo. Il Large Hadron Collider (LHC), il più potente acceleratore di particelle al mondo, ha ripreso a funzionare dopo oltre due anni di interruzione e, stando ai comunicati stampa e a quanto si legge sui giornali, ne vedremo delle belle. Ma quanti sanno di cosa stiamo parlando?

La fisica delle particelle non è certo un argomento da bar, a meno che non veniate a bervi birra con me. La fisica delle particelle affronta domande sui componenti più elementari della materia. Cosa sono, come sono e come interagiscono. Si dedica all’infinitamente piccolo, ma ciò che si scopre è utilizzato anche per capire cosa è accaduto all’inizio del nostro universo e come esso si sta “evolvendo”.

The Large Hadron Collider (LHC)

Infografica sul Large Hadron Collider (crediti: Cern).

Il Large Hadron Collider con i suoi punti sperimentali e i pre-acceleratori. I fasci di protoni e ioni pesanti di piombo iniziano il percorso agli acceleratori lineari (in figura p e Pb). Continuano il loro cammino nel Proton Synchrotron (PS), nel Super Proton Synchrotron (SPS) e giungono nell’anello esterno di 27 km di circonferenza. Durante il percorso si trovano i quattro punti sperimentali in cui i fasci vengono fatti collidere: ATLAS, CMS, LHCb, ALICE. (Crediti: nature.com).

 Per orientarsi esistono molti strumenti, in primis alcune valide dispense in rete – del materiale didattico si può scaricare dal sito di fisicamente – e il sito della rivista Asimmetrie (in particolare l’ultimo numero dedicato alla fisica dopo il bosone di Higgs). Con queste basi è forse possibile capire cosa sta succedendo nei corridoi del CERN di Ginevra.

LHC ha ricominciato a lavorare alla massima energia raggiunta fino ad oggi, 13 TeraelettronVolt (TeV). Un aumento di energia significa, essenzialmente, un aumento del numero di collisioni utili per capire meglio alcuni dei problemi ancora aperti nella fisica fondamentale, tra cui le lacune del Modello Standard, la natura della materia oscura,  dell’antimateria, delle dimensioni extra e della supersimmetria (o SUSY, da SUper SYmmetry).

La supersimmetria potrebbe costituire un’alternativa al campo di Higgs per spiegare l’origine della massa. Tuttavia, i risultati ottenuti fino ad ora dal LHC hanno confermato le previsioni del Modello Standard, mettendo in scacco le ipotesi alternative. Ne siamo sicuri? È fantascienza la formulazione di una teoria del tutto nuova? O, meglio, una Teoria del Tutto? La supersimmetria è stata formulata per rendere conto dei fenomeni della fisica delle particelle che rimangono inspiegati nell’ambito del Modello Standard. La peculiarità di questa ipotesi è semplice: a ogni particella bosonica, dotata cioè di spin intero, si associa una particella fermionica (o superpartner) dotata di spin semi-interi (in modo correlativo, ogni fermione ha un superpartner bosonico).

la supersimmetria

(Crediti: fisicadelleparticelle.altervista.org).

Dobbiamo ammettere che sembra una tesi abbastanza esotica. Perché abbiamo bisogno della supersimmetria? Ecco tre buoni motivi: (i) consente di unificare le tre forze fondamentali della natura, una volta raggiunte le energie più elevate; (ii) prevede l’esistenza di particelle che potrebbero costituire la materia oscura; (iii) permette di risolvere il problema della differenza di intensità tra forza nucleare debole e forza gravitazionale – di 32 ordini di grandezza a favore della forza debole (ciò significa che è 100.000 miliardi di miliardi di miliardi più intensa). Tuttavia, benché il modello standard sia solidamente confermato dagli esperimenti, sul tappeto rimangono ancora molti problemi.

Il direttore generale del CERN, Rolf Heuer, è molto chiaro in proposito: questa è l’era della nuova fisica. Questo è certamente vero nelle premesse, ma la scienza spesso procede in modo imprevedibile. Nessuno sa dove ci porteranno queste incredibili energie: sappiamo però che è l’unico modo che disponiamo per vagliare la coerenza interna e il grado di plausibilità epistemica del Modello Standard.

Sezione di un magnete superconduttore di LHC. (Crediti: Julian Herzog (website)).

“È un grande momento, è una grande emozione”, ha commentato a caldo Fabiola Giannotti, la direttrice del Cern. “Abbiamo registrato le prime collisioni a 13 TeV. Questo è un punto di arrivo importantissimo, perché abbiamo lavorato per anni per ottenere queste collisioni. Ma è anche un punto di partenza, perché queste energie ci permetteranno di rispondere a domande importantissime nella comprensione della fisica fondamentale”.

L’altro giorno I fasci avevano già raggiunto l’energia di 13 Tev, ma si trattava di accelerazioni di prova, per verificare l’allineamento delle particelle. E, soprattutto, non era ancora avvenuta alcuna collisione: i tecnici avevano fatto circolare alternativamente le particelle prima in una direzione e poi nell’altra. Oggi, invece, sono stati accelerati contemporaneamente due fasci, che poi si sono scontrati in prossimità dei rivelatori di Atlas (A Toroidal LHC ApparatuS) e Cms (Compact Muon Solenoid), i due esperimenti che avevano trovato una particella che funziona come l’Higgs.

Le collisioni che stiamo vedendo oggi indicano che il lavoro che abbiamo fatto negli ultimi due anni per preparare e migliorare il nostro rivelatore ha avuto successo e segna l’inizio di una nuova era di esplorazione dei segreti della naturaha concluso il portavoce del progetto Tiziano Camporesi. Non ci resta che attendere. 

Fonti:

http://www.monicamarelli.com/content/cern-protoni-e-zanzare

http://phys.org/news/2015-06-large-hadron-collider-unprecendented.html

http://home.web.cern.ch/about/updates/2015/06/lhc-experiments-back-busin…

http://www.cernlove.org/blog/2010/04/chocolate-bar-yardstick/

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