Indovinello –  qual è l’unico posto nell’universo in cui in pochi metri si possono trovare:

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  • temperature inferiori a quelle presenti nello spazio cosmico (-271°C)?
  • temperature tra le più alte dell’universo (1000 miliardi di volte più caldo del Sole!) ?
  • particelle accelerate al 99,999999991% della velocità della luce?

La risposta è il CERN di Ginevra, il più grande laboratorio di fisica al mondo, un luogo dove è possibile ammirare l’avveniristico acceleratore LHC (un tunnel circolare lungo 27km) e vari rilevatori di particelle, i più enormi, complessi ed evoluti apparati mai realizzati sulla terra (mostri di 40×20 metri di tecnologia avanzatissima).

Ok, ma per quale motivo creare una “macchina” del genere?

premessa:

in questo articolo e nel successivo (o nei successivi…) cercherò di entrare nei dettagli della ricerche in corso al CERN, sperando di restare semplice e chiaro ed evitando di annoiare con formule e paroloni (che peraltro nemmeno io comprendo una volta superato un certo livello di complessità). Questo primo post è di tipo introduttivo, con descrizioni ed immagini del centro di ricerca e delle incredibili macchine che sono state realizzate in questi anni.

Il prossimo post sarà più tecnico e interessante, focalizzato sul bosone di Higgs e sulle particelle subatomiche.

Buon divertimento.


Al CERN in questi anni stanno cercando di “fotografare” gli istanti appena successivi al Big Bang alla ricerca di risposte alle domande fondamentali sulla nascita dell’universo e sulle particelle che lo formano.

Siamo di fronte ad una scoperta storica o sarà necessario ripartire con una nuova fisica?

Solo i ricercatori potranno dircelo nei prossimi anni, in base al successo o meno nell’affannosa ricerca del bosone di Higgs, una particella subatomica che i giornalisti hanno soprannominato “la particella di Dio“, perchè secondo la teoria sarebbe in grado di far aggregare tutte le altre particelle e dar loro una massa.

Immagine semplificata dell'atomoIl bosone di Higgs è l’unica, tra le particelle subatomiche del modello standard, a non essere stata ancora osservata,  quindi se venisse effettivamente riscontrata la sua presenza le attuali teorie fisiche avrebbero una conferma schiacciante e il passo in avanti per la scienza sarebbe enorme. Allo stesso tempo se i risultati al CERN dessero esiti negativi bisognerebbe ripensare “da zero” la teoria del modello Standard, con ripercussioni enormi su tutta la ricerca scientifica degli ultimi decenni. In ogni caso sarà una scoperta rivoluzionaria.

Ogni tanto avrete letto qualche notizia dai giornali o alla TV, ma è davvero difficile trovare qualcuno che cerchi di spiegare (nel modo più semplice possibile) in che cosa consistono queste ricerche e che cosa siano queste fantomatiche particelle subatomiche di cui tanto si parla.

Lo scorso anno sono stato al CERN a visitare l’acceleratore LHC e ho avuto la fortuna di osservare aperto il rilevatore CMS (era guasto e in riparazione) ed ammirare questa avveniristica macchina. Il fascino di queste tecnologie e la sensazione di essere in uno dei luoghi in cui si decideranno le sorti della scienza dei prossimi decenni ti riempiono di passione e fiducia nella scienza, nel mio piccolo (non sono laureato in fisica!) spero di riuscire a farvi sentire queste sensazioni, almeno in parte.

Per cominciare, in questo primo post, diamo uno sguardo al CERN, con alcune informazioni e immagini “rubate” dal sito del Boston Globe, dall’istituto nazionale di fisica nucleare e dal sito di petermccready, con le sue bellissime immagini panoramiche (vedi i link nei riquadri sottostanti).

Per gli aspetti più avanzati di fisica subnucleare e sul bosone di Higgs, rimando al prossimo post.

Il CERN 

I rilevatori del CERN visti dall'alto

Una visione dall'alto del CERN e di LHC, con le posizioni degli esperimenti più importanti

Il Centro Europeo per la Ricerca Nucleare è nato dopo la seconda guerra mondiale per ridare all’Europa un centro di ricerca di valore dopo che tutti i più grandi fisici erano migrati (o meglio scappati) negli USA.

Situato a Ginevra sul confine con la Francia, al CERN trovano compimento decine di progetti all’avanguardia nel campo della fisica (ma non solo), gran parte dei quali realizzati grazie al supertecnologico acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider), costruito all’interno di un enorme tunnel lungo 27 km, posto 100 m sotto il livello del terreno [Immagine panoramica di LHC (clicca e trascina col mouse una volta caricata la pagina)].

LHC produce collisioni frontali tra due fasci di particelle dello stesso tipo lanciate ad una velocità prossima a quella della luce, guidate nel tunnel circolare da magneti superconduttori raffreddati a temperature vicinissime allo zero assoluto. Ogni fascio contiene 100 miliardi di particelle talmente minuscole che la probabilità che avvenga uno scontro con una delle 100 miliardi del secondo fascio è comunque molto bassa: solo 20 collisioni ad ogni “incrocio” (però non dimentichiamoci che a quelle velocità un fascio effettua 11245 giri di LHC al secondo…).

Questi punti di incontro-scontro sono situati in posizioni particolari del tunnel, dove trovano posto diversi esperimenti. I 4 più importanti sono Cms, Atlas, Alice e Lhcb.

Ognuno di essi occupa una gigantesca caverna all’interno del tunnel e contiene apparati sperimentali all’avanguardia (basti pensare che sono stati terminati solo nel 2008). Ognuno di questi esperimenti ha obiettivi diversi, come vedremo tra poco.

Lo scopo di LHC è raggiungere energie di collisione di ben 14 TeV, pari a 14.000 miliardi di elettronvolt, un’energia talmente enorme che, stando alle teorie standard, sono state eguagliate solo un milionesimo di milionesimo di secondo dopo il presunto atto di nascita dell’universo: il Big Bang.

CMS

(Compact Muon Solenoid )

logo CMS CERN

È un gigantesco rilevatore di 21×14 metri, costruito con l’obiettivo di misurare con grande precisione muoni, fotoni e elettroni. Il suo scopo primario è trovare il bosone di Higgs, ma non solo. CMS cercherà anche di spiegare perché esiste più materia che antimateria e indagherà sulla materia oscura e la supersimmetria.

CMS è il più grande solenoide superconduttore al mondo. E’ costituito da 100 milioni di singoli elementi attivi, ciascuno dei quali contribuisce alla ricerca di segnali di nuove particelle e nuovi fenomeni al ritmo di 40 milioni di volte al secondo. Al centro i protoni vengono fatti scontrare e le particelle risultanti vengono catturate dai vari “strati” del rilevatore, alla ricerca delle instabilissime particelle che dimostrerebbero l’esistenza del bosone di Higgs (ne parleremo meglio nelle prossime puntate).

Info tecniche: pdf di 547 pagine direttamente dal CERN

Immagini: superba vista panoramica (clicca e trascina una volta caricata la pagina).

Altra vista panoramica dal ponticello laterale.


Atlas

(A Toroidal Lhc ApparatuS)

logo esperimento ATLAS

ATLAS è il più imponente dei rivelatori di LHC (alto come un palazzo di cinque piani: 46×25 metri), vanta il più grande magnete superconduttore mai realizzato al mondo: ben 26 metri di lunghezza.

ATLAS ha gli stessi obiettivi del CMS e servirà per confrontarne i risultati, ma in più cercherà di verificare se le varie forze della natura sono in realtà una sola (come si ritiene al momento ma è solo una teoria), cercherà se esistono superparticelle pesanti e nuove forze finora mai rilevate.

Per non farsi sfuggire nessuna informazione ATLAS non si focalizza su un particolare processo fisico ma è concepito per misurare il più ampio intervallo possibile di segnali (anche per questo motivo le dimensioni sono così imponenti).

• Rivelerà l’energia, la direzione e il tipo di particelle prodotte nello scontro tra i due fasci di protoni accelerati in LHC a energie di 14 Tev (14 mila miliardi di elettronvolt)

• Misurerà la traiettoria delle particelle con la precisione di un capello sottile (0,01 millimetri)

• I computer elaboreranno i dati ad altissima velocità per selezionare tra miliardi di interazioni prodotte ogni secondo.

Ricordate quando la stampa spaventava molte persone parlando della remota possibilità che l’LHC possa produrre microscopici buchi neri? Ovviamente non veniva specificato che questi eventuali “buchi neri” sarebbero decaduti immediatamente a causa della radiazione di Hawking, cosa che avrebbe lasciato una traccia nel rilevatore ATLAS. I fisici del CERN quindi monitorano i risultati di questo rivelatore per capire se questi buchi neri si formano veramente, studiandone l'”evaporazione” nelle particelle del modello standard.

Immagini: vista panoramica (clicca e trascina una volta caricata la pagina)


ALICE

(A Large Ion Collider Experiment )

logo esperimento ALICE

È un esperimento di LHC in cui si studieranno le collisioni fra nuclei di piombo. Non si interessa del bosone di Higgs, ma qui i fisici sperano di riuscire a ricreare il plasma di particelle (quark e gluoni) che equivale allo stato della “materia primordiale“, che si ritiene sia esistita per pochi miliardesimi di secondo subito dopo il Big Bang.

ALICE quindi sfrutta l’energia provocata dagli urti di nuclei di atomi pesanti (con molti neutroni e protoni) per cercare “tornare indietro nel tempo” e capire meglio l’origine dell’universo, toccandola con mano e non solo attraverso teorie. Giusto per dare un’idea, all’interno di ALICE si creerà una minuscola sfera dalla temperatura di circa 2000 miliardi di gradi, centomila volte quella del sole.

Immagini: vista panoramica (clicca e trascina una volta caricata la pagina).

Vista panoramica della parte centrale del rilevatore.



LHCb

(Large Hadron Collider beauty)

logo esperimento LHCb

LHC beauty (con beauty ci si riferisce alla particella quark bottom) è sicuramente meno famoso degli altri 3 esperimenti.

In realtà LHCb è un esperimento con il non secondario compito di esplorare cosa sia successo che ha permesso la sopravvivenza della materia dopo il Big Bang, permettendo la realizzazione di un universo adatto alla vita.

Come mai l’antimateria è sparita lasciando la materia invece che causarne il collasso?

LHCb studia quindi le asimmetrie tra materia e antimateria per cercare di capire come mai siamo vivi. I suoi 435 metri quadrati di rilevatori saranno di grande aiuto allo scopo. 🙂

Immagini: vista panoramica (clicca e trascina una volta caricata la pagina)

Slides con 21 immagini in alta qualità (powepoint da 16.5 MB)


Per dettagli più tecnici e per lanciarci nel “fantastico mondo” dei bosoni, rimando alla prossima puntata, stay tuned!


Altre immagini

L'enorme rilevatore di particelle ATLAS. Notare la differenza di dimensioni rispetto alla persona al centro della fotografia

Un'immagine dell'LHC sezionato. All'interno dei due tubi girano in direzione opposta dei fasci di protoni al 99.99% della velocità della luce, pronti a scontrarsi nei vari rilevatori.

Il rilevatore di ALICE

CERN Server  farm

Server Farm al CERN: gestisce 15000 TeraByte di dati all'anno