Il Large Hadron Collider
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.
La nostra visione moderna dell’atomo
(rappresentata nella foto) 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, 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 quarkcharm e quark-top mentre 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 figura, 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°).
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, nel
quale le particelle 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. 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 o LHC dal
quale ci si aspetta molto nel cercare di rispondere a queste domande.
L’LHC, che sorge presso il CERN
di Ginevra, distribuito lungo un
anello di 27 Km, entrerà in funzione
il prossimo Novembre di questo
anno e sarà l’acceleratore di
particelle più potente mai costruito.
Fasci di particelle, formati da
miliardi di protoni e mantenuti in
accelerazione per diverse ore
all’interno del tunnel, saranno fatti
collidere ad altissime energie.
Lungo l’anello saranno posti quattro
rivelatori, denominati con gli acronimi ATLAS, ALICE, CMS e LHCb, che avranno lo scopo di
osservare la varietà delle particelle che si creeranno durante gli scontri. Ci si aspetta infatti di
misurare circa 600-800 milioni di eventi al secondo e si spera di rivelare particelle esotiche come i
bosoni di Higgs, previste dal fisico teorico Peter Higgs (nella foto), e considerate la chiave di svolta
alla domanda sul perché le particelle hanno massa.
Appuntamento quindi fra qualche mese per avere i primi risultati dei test degli esperimenti del più
grande acceleratore di particelle al mondo.
Corrado Ruscica
