Il Large Hadron Collider (LHC) è la macchina più grande del mondo. E’ un anello di 27 Km posto a 100 metri di profondità, al confine tra la Francia e la Svizzera, in una regione compresa tra l’aeroporto di Ginevra e i monti Giura. E’ l’acceleratore di particelle più grande e potente finora realizzato. Può accelerare protoni e ioni pesanti fino al 99,9999991% della velocità della luce e farli successivamente scontrare, raggiungendo un’energia, nel centro di massa, di 14teraelettronvolt. Simili livelli di energia non erano mai stati raggiunti fino ad ora in laboratorio.Serve a scoprire di che cosa è fatta la stragrande maggioranza della materia e dell’energia contenuta nell’Universo. Oggi sappiamo solo che esiste molta materia oscura e molta energia oscura, ma non sappiamo di che cosa sono fatte. Ma LHC potrebbe scoprire anche l’esistenza di particelle supersimmetriche e spingerci a pensare che l’Universo non sia fatto delle sole quattro dimensioni che percepiano (destra-sinistra, alto-basso, avanti-indietro, più la dimensione del tempo) ma di molte altre dimensioni a noi invisibili, arrotolate su stesse. LHC potrebbe “vedere” anche il famoso bosone di Higgs, la particella il cui campo permette a tutte le particelle di avere una massa. Insomma, questa macchina potrebbe aprie una Era nuova. Un’Era che cambierà non solo la conoscenza scientifica ma anche, e profondamente, la percezione che l’umanità intera avrà dell’Universo in cui vive. Lungo l’anello ci sono alcuni enormi laboratori (detti “esperimenti”) ognuno con un obiettivo di ricerca specifico.
Questo video in italiano di pochi minuti può darvi un’ idea:
LHC E I SUOI RECORDE’ la macchina più grande del mondo
Non esiste al mondo una struttura che sia grande 27 km; nonostante le dimensioni è leggerissima pesa solo 38.000 tonnellate meno di 50 treni Eurostar.
E’ il posto più freddo dell’Universo
Gran parte di questa macchina è tenuta ad una temperatura di oltre 271 gradi sotto lo zero cioè un grado in meno della temperatura media dell’universo. La temperatura bassa serve per creare nei magneti il fenomeno chiamato superconduttività, in questo modo si consuma molta meno elettricità e si possono accelerare le particelle ad elevatissima velocità, i protoni infatti viaggeranno in LHC, una volta raggiunta la massima energia, a una velocità pari a 0,999999991 la velocità della luce, cioè vicinissimi alla velocità massima raggiungibile nell’Universo. Pensate che ogni volta che viene raffreddata la macchina si accorci di alcuni metri!
E’ il posto più caldo della galassia
Quando i protoni lanciati nella macchina si scontrano producono una temperatura 1000 miliardi di volte superiore a quella che si trova al centro del sole.
E’ il posto più vuoto dell’universo
Dentro i tubi, i fisici , riescono a creare un vuoto così “vuoto” che non esiste un altro posto nell’universo dove ci sia così poca materia per metro cubo. C’e’ 10 volte più atmosfera sulla luna che materia dentro un tubo dell’LHC.
E’ la più grande fabbrica di informazioni al mondo
Ogni protone effettua ogni secondo, ben 11.000 giri completi dell’anello di 27 chilometri e i fasci di protoni si incrociano 40 milioni di volte al secondo. Il numero di collisioni a regime sarà di 25 collisioni tra protoni ogni 25 nanosecondi (miliardesimi di secondo), cioè circa 1 miliardo di collisioni al secondo. Oltre il 90% dei dati prodotti viene eliminato, solo una piccola parte, quella interessante viene archiviato e studiato. Ciononostante la quantità di dati è impressionante, e non bastano i supercomputer europei ad analizzarli, per questo scopo infatti è nata GRID.
GRID è una rete planetaria che unisce e utilizza contemporaneamente la potenza di calcolo e la memoria di decine di migliaia di differenti computer sparsi nel mondo. E’ stata sviluppata per immagazzinare e rendere accessibili i dati prodotti dall’acceleratore LHC: 15 milioni di gigabyte ogni anno, pari a 61 volte l’altezza della torre Eiffel (che ricordo è alta 342 metri). Coinvolge 140 centri di calcolo distribuiti in 33 paesi e ha una potenza di calcolo pari a quella di 100.000 computer. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è uno dei promotori principali del progetto Grid e ospita al CNAF di Bologna uno degli 11 nodi del primo livello della Grid. Questi nodi ricevono direttamente dal Cern i dati di LHC per smistarli successivamente a numerosi altri sparsi sul pianeta. (Scarica il PDF di GRID)
GLI ESPERIMENTIATLAS: è il più imponente dei rivelatori di LHC. Otterrà molte informazioni sulle particelle prodotte nell’acceleratore registrandone la traiettoria con la precisione di pochi millesimi di millimetro. Vanta il più grande magnete superconduttore mai realizzato al mondo lungo ben 26 metri. Le sue bobine sono state costruite in Italia.
• 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.
(Scarica il PDF di ATLAS)
ALICE: é un esperimento di LHC in cui si studieranno le collisioni fra nuclei di piombo. Usando nuclei di atomi con molti neutroni e protoni l’energia degli urti sarà tale che i fisici sperano di osservare un plasma di quark e gluoni: uno stato della materia esistito per pochi milionesimi di secondo subito dopo il big bang. All’interno di ALICE si creerà una minuscola sfera dalla temperatura di circa 2000 miliardi di gradi, oltre centomila volte quella del sole. (Scarica il PDF di ALICE e LHCb)
CMS: è un rivelatore di particelle che ha come scopo principale quello di dimostrare l’osservazione sperimentale del bosone di Higgs e di altre nuove particelle. È stato costruito per misurare con grande precisione muoni, fotoni e elettroni. 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 rito di 40 milioni di volte al secondo. (Scarica il PDF di CMS)
LHCb: In origine, subito dopo il Big Bang, si ritiene che materia e antimateria fossero presenti con uguale abbondanza, e quindi si pensa che le due forme fossero intercambiali, o simmetriche; eppure, oggi, tutto cio’ che che ci circonda: pianeti, stelle, galassie; e’ costituito di sola materia. LHCb si propone di indagare alcuni aspetti di questa asimmetria. LHCb e’ un esperimento progettato per misurare le differenze di comportamento esibite da materia e antimateria all’energia di LHC. Mediante il suo rivelatore LHCb registrera’ il decadimento dei Mesoni-b: particelle contenenti quark b (o beauty) o anti-quark b; particelle prodotte in grande quantita’ nelle collisioni di alta energia dei protoni dei fasci di LHC. I Mesoni-b non sono presenti nell’Universo attuale, perche’ sono particelle instabili; mentre dovevano essere piuttosto comuni, subito dopo il Big Bang. Una volta generati in laboratorio i Mesoni-B esibiscono una dinamica spettacolare per la durata infinitesima della loro esistenza, per poi decadere, inesorabilmente, in altre particelle, piu’ leggere. I fisici ritengono che dallo studio e dalla comparazione dei decadimenti dei Mesoni e dei corrispondenti anti-Mesoni, costituiti rispettivamente da quark b e anti-b, sara’ possibile ottenere ulteriori importanti informazioni sui meccanismi che permettono di distinguere in natura la materia dall’antimateria: benche’ la differenza di comportamento appaia invero sottile.
LHCf: Gli strati superiori dell’atmosfera sono costantemente bombardati da una pioggia di particelle chiamate raggi cosmici. Queste particelle collidono con i nuclei atomici presenti nei gas atmosferici e determinano un processo a cascata che produce una pioggia di particelle che raggiunge continuamente la Terra. Proprio come avviene quando i raggi cosmici colpiscono l’atmosfera, nelle collisioni tra protoni in LHC saranno prodotte anche molte particelle secondarie. Questo esperimento è stato realizzato per rivelare queste particelle. I dati raccolti serviranno per verificare i modelli teorici che descrivono cosa succede ai raggi cosmici di altissima energia quando entrano nell’atmosfera. Le particelle che LHCf rivelerà sono dette “in avanti”, poiché l’esperimento è posizionato a 140 m dal punto di interazione dei fasci, ed avrà quindi la possibilità di rivelare le particelle di alta energia prodotte praticamente nella stessa direzione del fascio di Lhc. Sono proprio queste particelle che ci permetteranno di capire meglio i meccanismi di interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera, dato che anche in queste interazioni la maggior parte delle particelle secondarie vengono prodotte “in avanti”, nella regione di misura accessibile a LHCf.
TOTEM: è un esperimento dedicato a misurare la probabilità e le modalità degli urti tra protoni in LHC. Per raggiungere i suoi scopi TOTEM rivelerà particelle prodotte molto vicine al fascio di LHC e consentirà di ottenere una calibrazione assoluta della luminosità di LHC, il parametro fondamentale che determina il numero degli urti tra protoni. Il suo apparato sperimentale consiste quindi in rivelatori di particelle collocati su entrambi i lati del punto di collisione di LHC condiviso con l’esperimento CMS e si trovano in camere a vuoto collegate al tubo dell’acceleratore in cui scorre il fascio di LHC. I rivelatori consentiranno la misura dei protoni diffusi elasticamente o quasi-elasticamente (nelle interazioni cioè che non fanno evolvere i protoni in altre particelle) mentre un sistema di tracciatori attorno all’acceleratore fornirà la rivelazione delle interazioni inelastiche (quelle che danno origini a nuove particelle).
COSA POTREBBE SCOPRIRE- il bosone di Higgs ,ciò che dà la massa a tutto ciò che esiste nell’Universo, vi ricordo infatti che l’Universo sembra fatto per il 95% da qualcosa che non vediamo e non conosciamo, ma che agisce sulle galassie e quindi esiste.
- dimensioni nascoste, piccolissime, che si aggiungono alle tre dimensioni (più il tempo) che consideriamo reali.
- materia oscura sottoforma di nuove particelle non supersimmetriche.
- particelle impreviste, che si vedono per la prima volta a una energia mai raggiunta prima dall’uomo sulla Terra.
- particelle fossili,come quelle che arrivano a noi dal momento del Big Bang.
- nessuna nuova particella oltre all’Higgs: un evento drammatico ed esaltante al tempo stesso, che obbligherebbe gli scienziati a sconvolgere lo schema dell’Universo costruito negli ultimi 50 anni e a ricominciare dall’inizio!
GLI SCENARI POSSIBILI DOPO LHCL’UNIVERSO HA UNA TRAMA INVISIBILE E SOTTILISSIMA
LHC vede sparire alcune particelle in uno spazio “al di fuori” di quello tridimensionale, che conosciamo e percepiamo. L’universo avrebbe allora non solo le tre dimensioni spaziali (più una temporale)che possiamo percepire, ma sei o otto altre dimensioni che non possiamo vedere perché piccolissime. Sono queste a formare una specie di trama microscopica e invisibile dell’intero universo.
SIAMO IMMERSI NELLA MATERIA OSCURA
LHC produce le particelle che costituiscono la materia oscura. Potremo capire che cos’è questa strana materia, che non vediamo e che apparentemente non interagisce con i nostri strumenti, ma tiene insieme le galassie con la sua attrazione gravitazionale. Ogni galassia e ogni ammasso di galassie è dunque immerso in un alone di materia oscura. Anche la Via Lattea e quindi il nostro pianeta.
LA NATURA FA DEI FAVORITISMI
LHC scopre perché la materia di cui siamo fatti abbia prevalso, nei primi istanti dopo il Big Bang, sull’antimateria che, in teoria, avrebbe dovuto essere presente in uguale quantità. Il grande favoritismo della natura viene svelato.
IL BOSONE DI HIGGS E’INVISIBILE
LHC non vede il bosone di Higgs. Significa che non si trova là dove i fisici pensano che sia. O è molto più pesante o è qualcosa di diverso da quello che si è immaginato sinora. Ma bisognerà cercarlo da un’altra parte per scoprire il mistero della massa dell’universo.
UN UNIVERSO PIU’ CHIARO E ORDINATO
LHC produce le particelle supersimmetriche che dimostrano l’esistenza di una simmetria più generale e fondamentale della natura e rendono più probabile la teoria delle stringhe. Ci avviciniamo a una teoria del tutto che unifica le forze fondamentali della natura.
Una notizia direttamente dal CERN :
Sarà una Pasqua di collisioni quella che i ricercatori del CERN si apprestano a vivere con l’acceleratore LHC. In queste ore (il pomeriggio del 1 aprile) si stanno mettendo a punto fasci sempre più “strizzati”, più compatti, con una intensità che è arrivata a 20 miliardi di protoni per “pacchetto” (beam). Nella giornata di oggi non ci sono state collisioni, ma se ne attendono molte per questa notte. Per domenica e lunedì si sono programmate due giornate di presa dati intense, senza toccare i fasci (e sperando che si mantengano stabili, ovviamente). Intanto, l’entusiasmo per le prime due giornate di collisioni cresce: in una dozzina di ore infatti si è raccolta la stessa quantità di dati di tutto il 2009.
Concludendo, il quadro completo continua a sfuggirci per ora, malgrado ne afferriamo ormai alcune parti. Diceva Einstein:
“la cosa più incomprensibile dell’Universo è che esso risulti comprensibile per l’uomo”.
Speriamo sia stato ottimista!
Fonti tecniche: CERN Document Server, LHC Italia