Una giornata storica: dopo la pausa per i lavori di consolidamento e i primi test partiti a inizio aprile, nei sotterranei del CERN di Ginevra il Large Hadron Collider, l'acceleratore di particelle più potente del mondo, è ripartito oggi per il suo secondo ciclo di lavoro (tecnicamente detto RUN2).
Come racconta il live blog di RUN2, in cui traspare l'entusiasmo delle persone coinvolte negli esperimenti (vedi foto sotto), alle 8.47 di questa mattina è partito il primo fascio di protoni, sotto gli occhi dei fisici assiepati nelle control room del CERN.
LE PRIME COLLISIONI. ATLAS, CMS, ALICE e LHCb, i quattro rivelatori sotterranei posti lungo l'anello di 27 km di LHC hanno già iniziato a raccogliere stabilmente i dati prodotti nelle collisioni tra protoni accelerati all’energia record di 13.000 miliardi di elettronvolt (13 TeV), quasi il doppio di quella che ha permesso, nel 2012, d’imbrigliare il bosone di Higgs.
Un’energia mai raggiunta prima in laboratorio, alla quale da ora l’acceleratore e i rivelatori lavoreranno a regime per i prossimi tre anni di attività.
Fino a 13 TeV. L'energia dei fasci è stata aumentata gradualmente fino a raggiungere il valore senza precedenti di 13 TeV. Alle 10.34 il primo scontro è stato registrato all'interno dei rivelatori ATLAS e CMS; sei minuti dopo il CERN ha dichiarato di avere ottenuto “fasci stabili” e che ora si aspettano i primi dati.
più dati, più potenza di calcolo. L'imponente lavoro di consolidamento, durato due anni, ha visto anche una modifica nell'impostazione dei fasci: i protoni ora viaggiano in pacchetti più ridotti e a distanza di tempo più ravvicinata (da 50 nanosecondi a 25 nanosecondi), per arrivare a produrre più collisioni, il che significa anche un aumento nel volume dei dati generati (5 volte più che nel RUN1). A questo scopo sono stati installati 60mila nuovi core ai computer del centro e 100 petabyte di spazio di archiviazione su disco.
Dove arrivera? Le collisioni di fasci a questo valore energetico costituiscono i primi passi del viaggio verso l'ignoto che LHC ha il compito di intraprendere. In particolare, dopo la sensazionale scoperta del Bosone di Higgs avvenuta durante il primo ciclo di lavoro, ora il Collider focalizzerà la ricerca sulla materia oscura (che si suppone costituisca il 25 % di tutta la materia dell'universo), sulle supersimmetrie e sul plasma di quark e gluoni all'origine dell'universo.
Il bosone di Higgs.
La caccia al bosone di Higgs non è ancora finita. L’esistenza del bosone - ultima tessera del grande mosaico del Modello Standard che spiega le particelle fondamentali e le forze che le legano - è stata provata sperimentalmente il 4 luglio 2012 proprio grazie agli esperimenti ATLAS e CMS condotti all’interno di Lhc.
Gli scienziati hanno però ancora molte domande sulle origini della materia: contano di trovare parte delle risposte nei nuovi scontri tra particelle che, all'interno dell’acceleratore, avverranno a livelli di energia ancora più alti rispetto a quelli del 2012. Più energia significa maggior probabilità di “produrre” bosoni di Higgs e di osservarne la brevissima esistenza.
Particelle esotiche. Alcune teorie prevedono l’esistenza di particelle esotiche del tutto nuove, impossibili da identificare e osservare perché incapaci di interagire con le forze elettromagnetiche.
Ma se queste particelle hanno una massa, devono in qualche modo interagire con le forze associate al bosone di Higgs, che diventa così il punto di contatto tra il Modello Standard e una nuova fisica tutta da scoprire.
La materia oscura. La materia oscura riempie ogni angolo dell’Universo: non la vediamo, ma possiamo misurarne gli effetti gravitazionali. Ma che cos’è? Una delle teorie è che sia composta da particelle supersimmetriche speculari rispetto a quelle previste dal Modello Standard.
I dati degli scontri ad alta energia che avverranno nei prossimi anni all'interno di Lhc permetteranno agli astrofisici di indagare più a fondo in questo mistero.
La Supersimmetria.
Il Modello Standard ha funzionato alla perfezione nel prevedere a livello teorico ciò che la fisica sperimentale ha potuto osservare sui blocchi che costituiscono la materia. Tuttavia, la teoria è ancora incompleta.
La Supersimmetria è un’estensione del Modello Standard che ha come obiettivo quello di colmare, almeno in parte, questo vuoto. Lo fa assumendo che per ogni particella del Modello Standard esiste una particella partner che definisce a priori la massa del bosone di Higgs. Se la teoria della Supersimmetria è corretta, gli scontri ad altissima energia che avverranno all'interno del “nuovo” Lhc dovrebbero far comparire queste particelle supersimmetriche.
Nuove dimensioni.
Una delle domande alle quali gli scienziati faticano a trovare risposta è “Perchè la gravità è così tanto debole rispetto alle altre forze fondamentali?”. Una delle ipotesi è che i suoi effetti si perdano, almeno in parte, in un’altra dimensione.
Fantascienza? Mica tanto: i ricercatori del CERN sono determinati a verificare sperimentalmente l’esistenza di questa nuova dimensione ricercando negli scontri all'interno dei 4 rilevatori di Lhc particelle analoghe a quelle del Modello Standard ma più pesanti.
Antimateria. Per ogni particella di materia esiste una corrispondente antiparticella che ha esattamente le stesse proprietà ma carica opposta. Per esempio esiste l’antielettrone, o positrone, che ha le stesse caratteristiche dell’elettrone ma carica positiva.
Quando queste due particelle entrano in contatto, si annichiliscono in un lampo di energia.
Secondo la teoria, il Big Bang ha creato una quantità uguale di materia e antimateria. Dove è finita quest’ultima?
I nuovi scontri ad altissima energia che avverranno all’interno dell’ LHC consentiranno agli astrofisici di produrre nuova antimateria per il loro programma di ricerca: l’obiettivo è quello di studiarne le proprietà per verificare se e quanto differiscono rispetto a quelle della materia.
Il plasma quark - gluoni.
Nei primissimi milionesimi di secondo dopo il Big Bang l’Universo era formato da un brodo densissimo di particelle elementari - quark e gluoni - che si muovevano alla velocità della luce, uniti tra loro da legami deboli che si rompevano e si riformavano in continuazione.
Le collisioni ad alta energia che verranno generate all’interno dell’ LHC permetteranno di ricreare qualcosa di molto simile a questo plasma di quark e gluoni così da dar modo agli astrofisici di osservare da vicino cosa è successo nei primissimi attimi di vita dell’ Universo.
Sarà in particolare l'esperimento ATLAS (e il suo mastodontico rilevatore da 46 metri di lunghezza, 25 metri di diametro e dal peso di circa 7 000 tonnellate, ritratto in questa foto).
Per saperne di più.
A questo punto siete pronti per alcuni ulteriori passi. Nell’ordine:
1. Fare il test per capire quante ne sai di Lhc e della fisica delle particelle.
2. Andare per un giorno al Cern e all’Lhc (ma solo virtualmente).
3. Scoprire a fondo che cosa è stato fatto nei due anni di stop.
4. Leggere che cosa prevedono gli scienziati del Cern.
Foto: © CRN
Oltre il modello standard. C'è anche la speranza di qualche sorpresa inaspettata, come ha spiegato Ferdinando Ferroni, presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che aggiunge: «Gli scienziati sono abituati a lavorare ai confini della conoscenza; i fisici lo sanno bene, soprattutto dopo aver messo le mani, alla fine di una caccia durata mezzo secolo, sull’ormai famoso bosone di Higgs. Una scoperta che, lungi dal rappresentare un punto di arrivo per la fisica moderna, è piuttosto uno stargate, un vero e proprio portale verso la Nuova Fisica, oltre il cosiddetto Modello Standard».
Il secondo viaggio oltre i confini della fisica viaggio è cominciato, ma nel ftrattempo godiamoci l'euforia della partenza, come racconta questo video (in inglese) che mostra i momenti chiave della giornata.
