Il CERN e il bosone di Higgs (parte 1)
Scritto da Samuelemag 3
Indovinello - qual è l’unico posto nell’universo in cui in pochi metri si possono trovare:
- 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.
Il 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
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.
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CMS
(Compact Muon Solenoid ) |
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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. |
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| Atlas
(A Toroidal Lhc ApparatuS) |
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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) |
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| ALICE
(A Large Ion Collider Experiment ) |
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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). |
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| LHCb
(Large Hadron Collider beauty) |
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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) |
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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 |
 Server Farm al CERN: gestisce 15000 TeraByte di dati all'anno |
10 commenti
Commento di RoBYCoNTe il 3 maggio 2010 alle 15:30
1. compliemtni, il tuo modo di “descrivere” rende tutto sempre molto chiaro e affascinante.
2. per questo tuo ultimo articolo: WOW!! Aspetto con ansia la seconda parte!
ancora complimenti! Ah… notavo una cosa nel sito:
utilizzo explorer 8, la chekbox “Voglio ricevere un’email quando qualcuno aggiunge un commento.” non viene visualizzata in quanto fuori dal container del commento
Commento di Fede il 3 maggio 2010 alle 18:17
Bravo Sam, ti assicuro che non sempre comprendo lo sbattimento che ti fai. Ma apprezzo il fatto che tu non abbia usato questo http://www.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM
Io non avrei resistito, considerato che quelli che lo hanno fatto sono gli stessi che lavorano a quei progetti e che la musichettà è orecchiabile.
Aspetto le prossime puntate!
f.
Commento di Samuele il 4 maggio 2010 alle 08:42
@RobyConte:
Grazie per i complimenti e per l’info su IE8, ogni browser ha la sua grana da risolvere!
Ci guardo appena possibile.
@Fede:
Il rap del CERN effettivamente è spettacolare, lo aggiungo in fondo all’articolo, tanto ormai l’articolo ha raggiunto dimensioni esagerate, facciamo 31.
Lo sbattimento alla fine lo faccio per me stesso, mi costringo a studiare meglio certe cose, dopotutto una cosa l’hai capita veramente solo quando riesci a spiegarla agli altri, no?
Ci sentiamo
Commento di maria il 4 maggio 2010 alle 15:30
Bella e reale questa deduzione che hai tratto sul concetto di comprensione … quindi fortunati gli insegnanti!!… sono pagati per far crescere se stessi …eh eh !!!
Mi terrò informata… per guadagnarmi lo stipendio!! ciao
Commento di Fernando il 25 ottobre 2010 alle 20:34
Bella e chiara esposizione che dovrebbe essere di insegnamento a coloro
che spesso scrivono nozioni senza quella necessaria sempificazione necessarie per essere capite da tutti.Complimenti:
Commento di niedbala flrin il 20 dicembre 2010 alle 17:05
e ok pero e necesario un motore a calamite che da lenergia gratis senza limiti velocita del suono velocita dela luce e velocita del corente per poter creare la machina del tempo cio il bing beng ha bizognio di creare una sfera electro magnetica poi il motore io lo inventato perche sono un inventore king legend del marchio steso poi la calamite deve avere la forza superiore dal normale ce si forma alfa beta ed omega le particele di che havete bizognio poi e importante creare un softwor per il orologio del tempo andata e ritorno con una nave che deve esere costruita velocemente che puo atraversare la porta del tempo avanti in futuro con tanti anii avantii lucee e indietroo poi trovatee tutee le risposte che volete e se vi ricorderete di me mi fate una clona con un cervelo senza gli erori umanii per vivere ancora 10000anii per studiare ciao grazie
Commento di corrado morozzo il 9 aprile 2011 alle 12:05
da buon scettico non posso esserlo solo in fatto di religione ma anche in fatto di scienza, sono come S. Tommaso, ho bisogno di toccare con dito gli aspetti
della realtà che mi coinvolgono direttamente.
Ho già espresso il mio scetticismo sull’esistenza di Dio spiegando che, pur criticando gli aspetti esteriori della religione, se effettivamente alla nostra componente materiale della realtà dovesse aggiungersi anche una componente trascendente, io ne farei automaticamente parte e di conseguenza potrei trovare delle giustificazioni al mio comportamento, giustificazioni che, al momento non trovo nella realtà “materiale” che mi descrive la scienza.
Che senso hanno, infatti, le leggi della fisica se non permettono di giustificare il comportamento evolutivo della natura e non considera necessario e indispensabile il mio contributo all’esistenza della realtà ed al suo evolversi? Ai miei occhi sarebbe una scienza da accettare solo come atto di fede.
La presentazione del CERN mi ha impressionato ma mi sono anche posto una domanda: che cosa possono dimostrare degli strumenti, per quanto sofisticati, di più di quello per cui sono stati costruiti? O cambiando la domanda: possono degli strumenti entrare nella testa di chi li ha costruiti?
Ammesso, ma non concesso, che gli strumenti siano in grado di trovare il famoso bosone di Higgs, potrebbe quest’ultimo tassello del Puzzle spiegare come funziona la mia testa e la testa degli scienziati che hanno elaborato l’ipotesi di una possibile unificazione delle forze e costruito i macchinari per verificarla?
Ragionando ingenuamente e da uomo comune, reputo che se dovesse effettivamente verificarsi l’unificazione delle forze vorrebbe dire che la scienza ha trovato la sua ragione ultima (il sacro Graal delle conoscenza) escludendo la possibilità che uno scienziato possa fare delle nuove ipotesi, (in quanto già previste dalla teoria del tutto ) ma non potrebbe impedire la possibilità che io mi faccia delle nuove ipotesi (alla faccia della scienza).
Giustamente, come tu dici, se questo bosone non dovesse saltare fuori bisognerebbe rivedere il concetto di scienza e i paradigmi attualmente utilizzati per spiegare la natura.
Ma dobbiamo veramente aspettare il verdetto del CERN per modificare il nostro modo di esplorare la natura?
corrado
Commento di paolonesi il 21 aprile 2011 alle 22:32
x Samuele
Tutti i iei complimenti per il Blog.
Solo oggi ho visto questa parte del sito. Ho già commentato, parecchio forse, e forse anche troppo, sulla parte “Dio esiste ?”.
Immaginavo che fossi un fisico, ma vedo che sei un informatico. Anche io lo sono, ma come autodidatta. Essendo un economista, la mia materia è tutt’altra, ma ho sempre seguito la fisica (e l’informatica ovviamente) con grande interesse e quindi sono al corrente di tutte le novità del CERN.
Avrei da porti una domanda.
Sono molto scettico che si possa trovare il “gravitone”, quindi la domanda che pongo è la seguente:
Supponiamo di avere una molecola d’acqua del Valore Energetico convenzionale (VE) = 1 . Se due molecole d’acqua si uniscono sappiamo bene che il loro valore energetico non è uguale a: 1 + 1 = 2, ma è = 2 meno un qualche “eps” (epsilon), cioè = a 1,99999999……..99999999 .
Quindi la somma di più molecole comportano un “risparmio energetico”.
Supponiamo ora che una massa di dimensioni pari a quelle della Terra sia composta solamente da molecole d’acqua.
Se il numero delle molecole d’acqua sono, supponiamo, = N , allora il valore energetico (VET) di tutta la massa terrestre fatta d’acqua sarebbe:
VET = (N · 1) – EPS
Dove con EPS si intende il differenziale energetico scaturente dalla somma delle N molecole d’acqua che compongono questo teorico pianeta fatto esclusivamente d’acqua, con massa eguale alla Terra.
Ma dove finisce o come si manifesta questo “risparmio energetico” ? Da qualche parte dovrà pur manifestarsi !
La tesi dunque è che questo “risparmio energetico” non sia altro che la GRAVITA’ !!!
La Gravità quindi non è una FORZA vera e propria (anche se così si manifesta), ma si deve intendere come “effetto sottrattivo”. Se difatti la massa d’acqua si dissolvesse di botto, la gravità di questa terra fatta solo di acqua ovviamente cesserebbe di manifestarsi non essendoci più la massa.
Occorrerebbe calcolare, in una simile ipotesi, la ESP, quindi confrontarla con la G (gravità) di una massa d’acqua di dimensioni pari alla Terra. Se i due calcoli coincidessero la tesi potrebbe essere confermata ?
Oppure questa tesi si poggia su nulla ?
Puoi verificare questa tesi (non nel senso di fare materialmente i calcoli) ma nel senso di chiederla, se tu non hai risposta, a dei fisici di mestiere ?
In un caso o nell’altro potersti darmi risposta ?
Cordiali saluti.
Paolo
Commento di Samuele il 25 aprile 2011 alle 00:34
Grazie Paolo per i complimenti, e grazie per partecipare così attivamente al blog (purtroppo in questi mesi ho pochissimo tempo e riesco a malapena a leggere le vostre discussioni su “Dio non esiste”, un giorno dovrò raggrupparle e farne un post, sono molto interessanti)
Per quanto riguarda la tua domanda… non sono la persona giusta a cui chiedere, ti consiglio di inoltrare la domanda all’autore del blog http://www.borborigmi.org, un vero fisico italiano che lavora al CERN.
In ogni caso personalmente ritengo che la tua interpretazione di gravità, intesa come “risparmio energetico”, non sia corretta.
Per quanto minuscole siano anche le molecole d’acqua hanno una forza d’attrazione gravitazionale che esercitano attorno a loro… solo che questa forza è talmente ridotta rispetto alle altre che la possiamo considerare zero.
Se si formasse un’immensa massa di milioni di quelle molecole la gravità aumenterebbe non per qualche epsilon ma semplicemente perchè sarebbe una “somma” dell’effetto gravitazionale di tutte le molecole di cui è costituita.
Comunque sia io con la fisica mi limito a cercare di capire il più possibile di quanto è già stato scoperto e confermato dai geni del secolo scorso (e già questo è MOLTO difficile, ad esempio la M theory sulle stringhe…), se dovessi provare a pensare a nuove teorie finirei sicuramente con dire delle sciocchezze epocali!
Ciao e grazie
Commento di Shad il 27 giugno 2011 alle 16:25
ciao Samuele, ciao paolonesi, ho trovato la stessa domanda nell’altro post qui http://www.blogzero.it/2010/01/13/errore-einstein-entanglement/ e ho appena risposto: non esiste alcun “risparmio energetico”. La massa totale di un corpo composto = alla somma delle masse dei componenti MENO l’energia di legame