Dossier

L'LHC (Large Hadron Collider) è l'acceleratore di particelle più potente al mondo. E' formato da un anello con una circonferenza di 27 km, costruito a 100 metri di profondità nei pressi di Ginevra, al confine tra Francia e Svizzera. E' stato progettato per far collidere al suo interno fasci di protoni ad un'energia nel centro di massa di 14 TeV, sette volte superiore a quella fino ad oggi raggiunta e destinata ad aumentare nel tempo.

L'obiettivo per il quale un così impressionante strumento scientifico è stato fortemente voluto dai fisici è quello di ricreare le condizioni che si verificarono nell'Universo ad un tempo di un milionesimo di milionesimo di secondo dopo il Big Bang, avvenuto 13,7 miliardi di anni fa, e trovare il bosone di Higgs, grazie al quale si spiegherebbe il perché della massa della materia.

Per indagare la struttura più intima della materia, i fisici utilizzano da tempo il metodo più intuitivo, quello che usavamo da bambini quando rompevamo il gioco per vederne l’interno: con gli acceleratori si ottengono “scontri” tra gruppi di particelle e, con le collisioni, si “rompono” le particelle stesse.

Uno degli obiettivi di questo esperimento è di arrivare alle componenti elementari della materia i quark e di “vedere” particelle come il bosone di Higgs. Per ottenere ciò, nella macchina vengono iniettati due fasci di protoni che circolano in direzioni opposte.

Prima i protoni (che non sono altro che il nucleo di atomi di idrogeno ai quali è stato strappato l’elettrone) vengono accelerati da strumenti connessi all’LHC e, successivamente, iniettati in due tubi all’interno dei quali è stato prodotto il vuoto, un vuoto molto spinto, paragnoabile a quello dello spazio intergalattico.

L’accelerazione avviene grazie a un campo magnetico generato in speciali cavità: i protoni sono particelle cariche positivamente e vengono “spinte” da altre cariche positive che le respingono e danno loro un’accelerazione. Aumentando l’intensità del campo magnetico, si aumenta la “spinta” e quindi l’accelerazione.

I fasci così accelerati raggiungono una velocità prossima, ma non uguale, a quelle della luce e percorrono 11.245 giri al secondo; dato che ogni giro misura 27 km e l’apparecchio lavora 10 ore al giorno, i nostri protoni percorrono circa 10 miliardi di km ogni giorno, come un viaggio andata e ritorno Terra-Nettuno.

I due fasci di protoni hanno direzioni opposte e collidono in quattro punti lungo l'orbita, in corrispondenza di grandi sale nelle quali sono stati installati gli “occhi” di LHC, cioè i rivelatori. Affinché nei punti di collisione avvengano un numero significativo di collisioni, è necessario che i fasci siano il più possibile compatti, cioè che non si disperdano, cosa che accade dato che abbiamo a che fare con particelle ugualmente cariche che si respingono. Per controllare la “forma” dei fasci sono stati installati lungo tutta la circonferenza circa 2000 magneti superconduttori che producono un campo magnetico con un intensità pari a 8 tesla, 200.000 volte più intenso del campo magnetico terrestre.

Questi magneti superconduttori per funzionare devono essere tenuti ad una temperatura di circa 2°K (-271,30 Co), la temperatura dello spazio interstellare. Aumentando la velocità delle particelle si aumenta anche la loro energia.

L’energia, nella fisica degli acceleratori, si misura in elettronvolt (eV). La parola elettronvolt ci porta alla mente la particella chiamata elettrone e il concetto di tensione, come quella da 220 Volt che alimenta i nostri elettrodomestici. L’eV equivale ad una quantità di energia molto piccola e corrisponde all’energia che un elettrone acquisisce quando attraversa un campo elettrico la cui tensione è 1 Volt. Ma nella fisica delle alte energie anche la massa si misura in eV, perché l’energia E è legata alla massa m tramite la velocità della luce c, come espresso dalla relazione E = mc2. Un TeV è pari a 1.000.000.000.000eV e nell'LHC può essere raggiunta una energia record di 7 Tev per il fascio di protoni.

Le collisioni vengono osservate in quattro principali esperimenti di fisica delle particelle: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS(Compact Muon Solenoid), LHCb (Large Hadron Collider beauty) ed ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Si tratta di enormi apparati costruiti in caverne alte come un palazzo di sei piani e dislocate lungo l'anello dell'accelleratore. Sono costituiti da numerosi rivelatori che utilizzano tecnologie diverse per “fotografare” le collisioni. Ognuno di questi strumenti ha un compito ben preciso.

ATLAS ha come scopo principale la dimostrazione dell’esistenza del bosone di Higgs, che dovrebbe spiegare perché la materia ha massa. I rivelatori sono in grado di misurare le traiettorie degli oggetti dispersi dopo le collisione e, da queste, ricavare moltissime informazioni. E' stato costruito per dare risposte alle numerose domande sulla materia oscura della quale non si conosce nè l’origine né la composizione. Deve inoltre verificare due Teorie: la Teoria della Grande Unificazione, secondo la quale le forze della natura sono in realtà un'unica forza, e la Teoria della Supersimmetria che prevede l’esistenza di altre particella ancora sconosciute.

CMS, come ATLAS, indaga l’esistenza del bosone di Higgs e cercherà di confermare la bontà del Modello Standard con cui i fisici descrivono l’Universo.

ALICE è un esperimento in cui vengono studiate le collisioni tra nuclei di piombo, molto più pesanti dei protoni. Nell’urto tra i nuclei di piombo e protoni e neutroni, si dovrebbe osservare un plasma di quark e gluoni: il plasma è un gas composto solo da particelle cariche, i quark cono le particelle fondamentali cariche che costituiscono tutto, a partire dai protoni, mentre i gluoni (il cui nome deriva dalla parola inglese glue che vuol dire colla) sono i responsabili dell’interazione forte, la forza che tiene insieme i quark che formano tutte le particelle note e ancora da scoprire. Ottenere un plasma di quark e gluoni vuol dire capire come la materia si aggrega.

LHCb ha l'obiettivo di spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria: la teoria dice che, subito dopo il Big Bang, materia e antimateria sono comparse in quantità uguali, eppure oggi quello che conosciamo è composto solo da materia. Che fine ha fatto l'antimateria?