Una giornata al CERN di Ginevra

Una giornata al CERN di Ginevra
di Alice Giocondo
Liceo Classico “G. Garibaldi “ di Palermo
“Fare ricerca fondamentale significa innanzitutto cercare di
conoscere e di comprendere a fondo la natura, apparentemente
senza immediate applicazioni pratiche”
Il 27 febbraio 2017 un gruppo di cinquanta allievi del liceo classico “ G. Garibaldi”
di Palermo ha preso parte alla visita-studio, ai laboratori del CERN (Consiglio Europeo
per la Ricerca Nucleare) nell’ambito del progetto Extreme Energy Events (EEE), di cui è
referente la prof.ssa Maria Grazia Meli.
Il progetto EEE – La Scienza nelle Scuole, consiste in una speciale attività di ricerca,
in collaborazione con il CERN, l'INFN, il MIUR, e il CENTRO FERMI di Roma,
sull’origine dei raggi cosmici.
UNA GIORNATA AL CERN DI GINEVRA
1
Prezioso è stato il contributo, per realizzare la visita al Cern, del Dott. Ivan Gnesi
del Centro Studi e Ricerche 'E. Fermi', Roma e Dipartimento di Fisica Università di Torino
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Torino.
Dopo la prima notte in albergo, il mattino seguente si parte per Meyrin e la sua
futuristica città della fisica delle alte energie: il CERN, dove dai tempi della sua
istituzione, nel 1954, lavorano ormai circa 10000 persone, tra fisici, tecnici e membri dello
staff, provenienti da tutto il mondo.
Arrivati al Cern guidati dal Dott. Ivan Gnesi, il primo esperimento che visitiamo è
ALICE, acronimo di A Large Ion Collider Experiment, una collaborazione internazionale di
oltre 1500 tra fisici, ingegneri e tecnici provenienti da 37 Paesi di tutto il mondo.
L’esperimento ALICE dedicato in particolare allo studio del plasma di quark e gluoni, uno
stato della materia che si pensa sia esistito subito dopo il Big Bang.
Il rivelatore si trova in una vasta caverna 56 m sotto terra, raggiungiamo con gli
ascensori la Dott.ssa
Despina Hatzifotiadou, fisico del Cern, che ci spiega come la
ricostruzione del plasma sia possibile grazie ad una collisione ad altissima energia di ioni
pesanti, in questo caso nuclei di piombo; intorno al punto di interazione, a più di 50 metri
di profondità, sono collocati 19 sistemi di rivelatori che misurano l’energia prodotta dalle
particelle e le identificano. Il grande magnete presente nel sistema pesa circa 10000
UNA GIORNATA AL CERN DI GINEVRA
2
tonnellate. Con i suoi 26 metri di lunghezza e 16 di altezza e larghezza, ALICE è il
secondo esperimento per dimensioni dopo ATLAS.
Intorno al tubo attraverso cui passa il fascio di particelle sono presenti sei strati di
rivelatori di silicio, un grande rivelatore a gas e due altri importanti rivelatori: TRD
(Transition Radiation Detector) e TOF (Time Of Flight), che misura il tempo di transito delle
particelle con altissima precisione (meno di 100 picosecondi), mentre un calorimetro
misura l’energia prodotta dal passaggio di elettroni, positroni e fotoni. L’energia cinetica
delle particelle viene dunque convertita in massa: per il principio di conservazione
dell’energia e della quantità di moto, il numero di particelle è pari alla somma dell’energia
iniziale delle due particele in collisione.
La realizzazione dell’esperimento ALICE ha richiesto ben 24 anni di sviluppo, tra la
prima ideazione, i progetti e l’effettiva attuazione. ALICE fa parte dell’LHC (Large Hadron
Collider), l’acceleratore di particelle più grande al mondo, costruito a circa 100 metri di
profondità all’interno di un tunnel sotterraneo lungo 27 chilometri.
All’interno del complesso dell’LHC sono state registrate le temperature più basse
del Sistema Solare (-271°C), ma il punto di collisione dei nuclei di piombo arriva a
raggiungere una temperatura 100000 volte più alta di quella del nucleo del Sole.
Terminata la visita del primo esperimento, la nostra guida, ci dà una spiegazione
dettagliata della fisica alla base del funzionamento di ALICE. L’universo a livello galattico
è stabile grazie alla forza di gravità, mentre l’interazione elettromagnetica garantisce la
UNA GIORNATA AL CERN DI GINEVRA
3
stabilità a livello molecolare e un residuo di interazione forte fa sì che nei nuclei atomici i
protoni siano uniti ai neutroni. Lo scopo è dunque far transire la materia nucleare da
sistema neutro a sistema in cui emerga la carica forte portata dai quark.
Il Sole possiede forti campi magnetici a causa del plasma che si trova sulla sua
superficie: la forza di Lorentz confina i protoni che tendono ad allontanarsi dal Sole con
un moto elicoidale, lo stesso fenomeno che sulla Terra, con gli elettroni, causa le aurore
boreali. La temperatura è la misura dell’energia cinetica delle particelle di un gas. Più è
alta la temperatura, più le particelle di plasma tendono a sfuggire, con l’aumentare
dell’energia cinetica, mentre la forza di Lorentz tende a mantenerle entro la linea di
campo. Ciò ha due conseguenze importanti: innanzitutto l’incremento della corrente di
carica, ma anche l’aumento del sconfinamento e della pressione termica. Per questa
ragione è difficile mantenere il plasma in vita per un tempo prolungato. Ad un certo
punto la pressione termica supera quella magnetica e i protoni che erano rimasti
ingabbiati vengono sparati nello spazio, e questo è il fenomeno alla base delle tempeste
magnetiche che spesso condizionano e provocano sulla Terra problemi alle comunicazioni
e ai trasporti aerei. Se si comprende la natura di questi fenomeni sul Sole, si riuscirà forse
a viaggiare nello spazio: il Sole, infatti, emette moltissime radiazioni, che da sole
costituiscono il maggior problema per i viaggi nello spazio.
Lo scopo dell’esperimento ALICE è quello di creare un plasma non più
elettromagnetico, ma di quark e gluoni, alla temperatura di 5 miliardi di gradi. I nuclei
viaggiano a velocità relativistiche e ci appaiono dunque piatti e non sferici - lo spazio è
contratto - essendo la relatività speciale una conseguenza della struttura dello spaziotempo. Dopo l’urto dei nuclei si liberano alcune particelle, per la maggior parte bianche,
prive di carica di colore, che sono sistemi stabili di interazione forte; altre, invece, i quark,
appaiono colorate. Aumentando la distanza delle particelle, cresce sempre di più la forza,
e il potenziale aumenta come k x2: ad un certo punto si fornisce abbastanza energia da
poterla convertire in massa e ottenere un’altra coppia di quark di cui non è possibile
vedere la carica di colore. Ciò accade all’incirca nello spazio di un fermi, cioè 10^-15
secondi. I rivelatori pertanto non misurano mai quark, ma sempre sistemi stabili bianchi,
alla velocità della luce, in un tempo di 10^−23secondi.
In LHC si muovono protoni in “pacchetti” da circa 108 protoni ciascuno e ne passano
in media 40 milioni al secondo: dagli urti tra i protoni vengono liberati miliardi di
particelle ogni secondo, con migliaia di punti di impatto nel rivelatore. Da qui è evidente
la potenza di calcolo che devono raggiungere i rivelatori per misurare il numero e la
traiettoria delle particelle senza commettere errori: al CERN vengono per questo
sviluppate tecnologie all’avanguardia di trasmissione dati, per esigenze di ricerca
fondamentale. Oggi, per realizzare nuove scoperte, non basta più il lavoro isolato di un
UNA GIORNATA AL CERN DI GINEVRA
4
singolo ricercatore, ma sono necessari team formati da migliaia di persone specializzate in
campi differenti.
Nel 2012 la scoperta del bosone di Higgs ha gettato nuova luce sul CERN e sulla
ricerca fondamentale: il suo fine è puramente quello di comprendere la natura, ed essa è
indispensabile per la ricerca applicata, da cui nascono le innovazioni tecnologiche che
conosciamo e a cui siamo abituati, come il GPS, la risonanza magnetica e l’adroterapia.
Chi frequenta il liceo classico dovrebbe perciò capire più di chiunque altro la necessità
della conoscenza fine a se stessa, apparentemente priva di immediate applicazioni
pratiche.
Conclusa la lezione di fisica della nostra guida, ci avviamo visitare ai laboratori di EEE,
dove gli studenti di ogni scuola sono direttamente coinvolti nella costruzione delle
MRPC (camere a piani resistivi a interspazi multipli
)
per il proprio telescopio EEE. Il
telescopio è costituito da tre camere poste una sopra l’altra, in grado di tracciare il punto
di impatto di ciascuna particella e di misurare il tempo impiegato con grande precisione.
Le camere consistono di cinque vetri, intervallati con del filo da pesca; all’interno degli
spazi, detti gap, si inserisce del gas e si applica una tensione di 20000 volt.
UNA GIORNATA AL CERN DI GINEVRA
5
Passando, la particella ionizza il gas e libera elettroni, che vengono accelerati e
impattano contro gli atomi di gas, formando così un cono di cariche. La carica viene
raccolta sull’elettrodo superiore del detector; sopra sono incollate 24 strip di rame, il
segnale viene indotto su una delle strip e raggiunge l’elettronica di lettura.
EEE è l’unico esperimento al mondo in grado di rilevare analogie e differenze di
particelle tra zone anche distanti fra di loro e di sincronizzare e confrontare questi dati.
Attraverso questi rivelatori è possibile osservare i corpi celesti e i buchi neri non
astronomicamente, in base alla luce che essi emettono, ma alle particelle che si liberano, in
modo da “scattare una fotografia” dell’universo quando aveva solo 300000 anni di vita.
I telescopi vengono prodotti dentro una “camera pulita”, una stanza porta in
sovrimpressione rispetto all’esterno, in modo che nessun elemento estraneo possa entrare
all’interno della camera quando è in funzione, alterando i complessi passaggi di
costruzione dei rivelatori. Ad esclusione dell’avanzatissima elettronica, i rivelatori sono
realizzati con materiali poverissimi e facilmente reperibili, come vetro, filo da pesca e altri.
Inoltre non è possibile brevettare i dispositivi di ricerca.
Dopo una breve pausa pranzo alla mensa del CERN, seguiamo il Dott. Ivan Gnesi
verso l’altro esperimento che visiteremo: COMPASS, il cui obiettivo è studiare la struttura
di spin di protoni e neutroni. Il fascio di particelle, a causa della velocità relativistica cui si
muove, impatta contro un bersaglio più lungo, ed è questo il motivo principale per il
quale COMPASS è un esperimento molto più esteso in lunghezza rispetto ad ALICE. Lo
spin del protone viene generato dai quark che lo costituiscono.
In COMPASS la temperatura raggiunge gli 8 millikelvin: tutti i moti molecolari
cessano, si crea un campo magnetico e tutti gli spin degli atomi si orientano lungo il
campo. Si irraggia l’atomo con una microonda, tutti gli elettroni polarizzati perdono la
loro polarizzazione e, per conservazione dell’impulso, trasferiscono il momento angolare
(lo spin) al nucleo. COMPASS è l’unico luogo al mondo dove sia possibile polarizzare i
nuclei, dopo vent’anni di ricerche ed esperimenti.
Più avanti sono presenti dei rivelatori di posizione, i tracciatori, simili a quelli già
osservati, che inviano i dati raccolti alla camera di controllo, dei rivelatori di velocità detti
RICH, ed infine un terzo tipo di rivelatori: i calorimetri, che misurano l’energia cinetica e
la massa della particella. L’energia della particella viene misurata per mezzo di alcuni
particolari cristalli purissimi, che contengono del piombo, elemento con un’alta carica, così
da emettere luce e produrre coppie elettrone-positrone. Proseguiamo verso il punto in cui
viene accelerato il fascio di particelle. Trattasi stavolta di un fascio di pioni, particelle
instabili che vengono prodotte facendo impattare i protoni del berillio. I pioni, che hanno
una vita media di 10-8 secondi, contengono in sé sia materia che antimateria, ovvero un
quark e un antiquark. Le particelle vengono fatte viaggiare nel vuoto affinché non
impattino contro i nuclei dell’aria e non perdano le proprie caratteristiche. I pioni possono
UNA GIORNATA AL CERN DI GINEVRA
6
anche decadere e produrre altre particelle dette muoni, mentre i neutrini vengono
mandati attraverso un condotto sotterraneo di 700 km ad un altro esperimento sul Gran
Sasso.
Qui si conclude la nostra visita al CERN.
Il giorno seguente, 28 febbraio, è in programma di Ginevra. La nostra guida, una
gentile signora di origine italiana, ci accompagna attraverso i luoghi di maggior interesse
culturale del centro: le antiche mura di difesa, il monumento in onore dei
quattro
riformatori protestanti del XVI secolo (Calvino e Zwingli in primis), l’austero edificio del
municipio, la cattedrale romanica dall’imponente facciata neoclassica, e la cappella, sede
della prima scuola pubblica istituita da Giovanni Calvino.
UNA GIORNATA AL CERN DI GINEVRA
7
Oltre ad approfondire le nostre conoscenze di fisica con le visite a due grandi
esperimenti del CERN, ALICE e COMPASS, questo viaggio ci ha offerto anche
l’opportunità di scoprire i mille volti di Ginevra, città cosmopolita, capitale delle
organizzazioni umanitarie (una su tutte la Croce Rossa), ma soprattutto vera patria della
tolleranza.
UNA GIORNATA AL CERN DI GINEVRA
8