I due anni di stop forzato sono terminati. Il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra è pronto alla riaccensione. Dopo la fine del Run 1 (il primo ciclo di esperimenti concluso il 14 febbraio 2013), e una pausa tecnica per incrementare le prestazioni della macchina, il più potente acceleratore di particelle al mondo sta per iniziare il Run 2.
Salto di qualità. Il nuovo ciclo di collisioni sarà operato a un'energia quasi doppia rispetto alla precedente: LHC raggiungerà, infatti, i 6,5 TeV per fascio e, quindi, i 13 TeV nel punto di collisione tra le particelle. Un'energia prossima a quella per cui l'acceleratore è stato progettato (14 TeV) e doppia rispetto ai 7-8 TeV che consentirono di trovare, nel 2012, le evidenze sperimentali del bosone di Higgs.
I tempi. Il Run 2 inizierà nell'ultima settimana di marzo, quando saranno fatti circolare nell'anello dell'acceleratore lungo 27 km i primi fasci di protoni. Le prime collisioni tra particelle valide per la ricerca sono attese invece tra la fine di maggio e l'inizio di giugno.
Alla ricerca di... cosa? Le nuove prestazioni dell'LHC consentiranno ai fisici di esplorare regioni di energia mai studiate finora, e verificare teorie che prima non era possibile. Si lavorerà a una fisica che vada al di là del Modello Standard, la teoria che attualmente descrive la nostra migliore descrizione della natura, delle particelle elementari e delle loro interazioni.
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
Teorie da verificare. «Dopo la scoperta del bosone di Higgs, ora non sappiamo che cosa ci attende: se le nuove scoperte sono dietro l'angolo oppure se le nostre ricerche si dovranno spingere molto oltre» dice Fernando Ferroni, presidente dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che coordina il contributo del nostro Paese a LHC. «Sicuramente sarà l'occasione di mettere alla prova molte delle nostre ipotesi: dalla materia oscura, alla supersimmetria, alle extradimensioni».
La prima luce. «L'obiettivo principale è cercare segnali di nuova fisica esplorando tutti i processi possibili, e in particolare scovare la particella che potrebbe spiegare la materia oscura» aggiunge Anna Di Ciaccio, responsabile nazionale INFN dell'esperimento ATLAS.
«Ho un sogno. Vedere la prima luce nell'Universo oscuro» ha dichiarato oggi pomeriggio in conferenza stampa Rolf Heuer, Direttore Generale del CERN. «Se la vedrò, la Natura sarà stata generosa con me». E comunque «LHC continuerà a operare fino al 2035, quindi non importa se non dovessimo trovare niente nei prossimi tre anni».
risultati. Sui dati c'è grande attesa. Quelli del Run 2 saranno 5 volte più numerosi rispetto al Run 1, in virtù della maggiore energia. «Bisognerà riuscire a processarli e comprimerli, per non lasciarci investire da un overload di informazioni» dicono dal CERN.
«LHC darà quest'anno collisioni di nuclei a energia doppia rispetto al Run 1 ma, a una statistica quasi dieci volte maggiore» aggiunge Paolo Giubellino, responsabile internazionale dell'esperimento ALICE, uno dei sette di LHC. «In questo modo ALICE potrà studiare fenomeni molto più rari e quindi svelare nuove proprietà della materia primordiale dell'Universo».
La simulazione di una collisione tra protoni a un'energia di 13 TeV:
Archiviata la caccia al bosone, l’LHC è stato spento e rimarrà in manutenzione per tutto il 2014. Ciò non vuol dire che i ricercatori del CERN se ne staranno con le mani in mano: i due esperimenti ATLAS e CMS, in questi anni, hanno prodotto un’enorme mole di dati che aspettano ancora di essere analizzati.
Che cosa troveranno? Per ora è impossibile dirlo: forse altre particelle esotiche, forse delle conferme sulla supersimmetria, la teoria che associa particelle bosoniche a quelle fermioniche.
Di sicuro, gli scienziati arriveranno a comprendere sempre meglio il bosone di Higgs e le origini della materia: questa particella infatti, ad oggi, non è stata osservata direttamente ma solo attraverso la rilevazione dei quark e degli anti-quark in cui decade. Ci sono però altri oggetti subatomici, anch’essi frutto del decadimento del bosone, teorizzati a livello matematico ma che gli strumenti non sono in grado di rilevare.
Secondo alcune teorie potrebbe trattarsi di qualcosa molto simile alla materia oscura rilevata nel cosmo. E se questa teoria fosse confermata, si aprirebbe un nuovo universo di esplorazioni e studi.
Foto: © © Kike Calvo/National Geographic Society/Corbis
I neutrini sono tra gli oggetti più strani della fisica. Di loro si sa poco: sono quasi senza massa, non riescono ad interagire praticamente mai con la materia ordinaria e, storicamente, la loro analisi ha sempre portato a risultati del tutto inattesi.
Ma i ricercatori si aspettano, per i prossimi anni, rivelazioni ancora più sorprendenti: agli Argonne National Laboratory, l’esperimento NOvA (NuMI Off-Axis Neutrino Appearance experiment), sta tentando di scoprire qualcosa in più su queste curiose particelle, prima di tutto la loro massa.
Al momento si conoscono tre diversi tipi di neutrino - elettronico, muonico e tauonico - tutti con massa 10 miliardi di volte più piccola rispetto a quella dell’elettrone, ma non si sa quale di loro sia il più pesante e quale il più leggero.
Per provare a stilare una classifica, i ricercatori stanno lavorando all'esperimento presso i Fermilab di Chicago: spareranno un fascio di neutrini attraverso il pianeta fino a un ricevitore posizionato ad Ash River, nel Minnesota, a 810 km di distanza.
Nel corso del loro viaggio le particelle oscilleranno attraverso i tre differenti stati: l’analisi delle differenze tra le stazioni di partenza e di arrivo permetterà agli scienziati di determinare le proprietà delle particelle con grande precisione.
NOvA verrà acceso nel 2014 e durerà fino al 2020.
L’esperimento permetterà di rispondere a 3 domande fondamentali: possiamo osservare solo l’oscillazione dei neutrini muonici in elettronici? Quali e cosa sono le masse del neutrino? Qual è e cos'è la simmetria tra materia ed antimateria?
L'esperimento sarà da record per diversi motivi: coinvolgerà il fascio di neutrini più potente mai utilizzato (ma niente panico, sono innocui), sarà uno dei più lunghi dal punto di vista temporale e sarà gigantesco per dimensioni della strumentazione.
Il ricevitore di Ash River, un marchingegno da 14.000 tonnellate, è composto da centinata di moduli in PVC rivestiti di fibre ottiche e immersi in un liquido scintillatore: quando i neutrini interagiscono con il liquido producono particelle cariche che rilasciano fotoni. Le fibre ottiche registrano questa luce, rilevando il segnale elettrico quindi il passaggio dei neutrini.
Un esperimento simile a NoVA è in corso in Giappone, verrà condotto su distanze più brevi, circa 295 km, e durerà solo 2 anni.
Foto: © © Reidar Hahn
La caccia alla materia oscura è in pieno svolgimento ed è assai probabile che nei prossimi anni occuperà un posto di primo piano nelle attività dei fisici. Stiamo parlando di quella componente della materia apparentemente così abbondante nel cosmo ma invisibile e che può essere rilevata solo attraverso i suoi effetti gravitazionali.
Tra gli esperimenti che nei prossimi anni potrebbero fare un po’ di chiarezza su questa singolare componente dell’Universo c’è Lux (Large Underground Xenon experiment), un grande dispositivo che si trova nei laboratori del Sanford Underground Research Facility, in South Dakota (Stati Uniti).
Attivo da qualche settimana, Lux è in grado di registrare il passaggio di particelle massicce debolmente interagenti con la materia ordinaria (le Weakly Interacting Massive Particles, o WIMP) che sono tra le maggiori indiziate tra i possibili costituenti della materia oscura.
Il rivelatore di LUX è composto da una specie di thermos alto un metro e mezzo e riempito con 300 kg di xenon liquido mantenuto alla temperatura di -100°C. Il tutto è stato calato nel cuore di una miniera d’oro abbandonata, a 1500 metri di profondità per schermarlo da possibili segnali spuri prodotti dai raggi cosmici. Per minimizzare anche quelli dovuti alla radioattività naturale, è stato ulteriormente circondato da un contenitore riempito con 300.000 litri di acqua purissima.
«LUX sta già producendo i migliori risultati al mondo e comincia a indicarci uno scenario in cui escludere la presenza di particelle costituenti la materia oscura» spiega Mattew Szydagis, ricercatore dell’Università della California a Davis e coordinatore dell’analisi dati del progetto, al quale collaborano oltre 100 scienziati e ingegneri provenienti da 18 istituti europei e statunitensi.
Per una risposta definitiva dovremo comunque attendere altri dati e ad altre analisi nel corso dei prossimi anni.
Foto: © © Copyright 2013 Carlos H. Faham
Tra i paradossi del modello standard uno dei più curiosi riguarda l’esistenza stessa della materia: secondo la teoria, durante il Big Bang sarebbero state create materia e antimateria in quantità uguali. Ma visto che questi due elementi si annullano a vicenda, l’Universo non dovrebbe esistere. O, meglio, dovrebbe essere pieno di… nulla.
L’esistenza della materia potrebbe essere spiegata da un fenomeno noto come decadimento beta, un evento che si manifesta quando un neutrone si trasforma spontaneamente in un protone e un elettrone e, nel corso del processo, emette un antineutrino.
In alcuni casi l’antineutrino può non esserci, perchè viene annullato da un neutrone. Ciò significa che l’antineutrino è l’antiparticella del neutrone? Affermarlo con certezza per ora non è possibile, ma se così fosse questo spiegherebbe la maggior produzione di materia rispetto a quella di antimateria nell’Universo primordiale.
Al momento diversi esperimenti stanno indagando su questo fenomeno.
Tra i più importanti, GERDA (GERmanium Detector Array), in corso presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Il cuore dell’apparato è costituito da rivelatori di germanio arricchiti nell’isotopo 76, immersi nell’argon liquido. Questi sono contenuti in un criostato (uno speciale supercongelatore utilizzato per il raffreddamento di attrezzature scientifiche) di circa 4 metri di diametro e 8 metri di altezza, collocato a sua volta al centro di un serbatoio di acqua ultrapura di 10 m di diametro per 9 m di altezza. L’argon liquido agisce sia come liquido refrigerante, necessario per il funzionamento dei rivelatori di germanio, sia come schermatura dei rivelatori dalla radioattività naturale del criostato.
Altri esperimenti simili sono il MAJORANA, in corso presso i laboratori dell'Università di Berkley e SNO+, in Canada
Foto: © © INFN
La caccia ai neutrini e alle loro proprietà non sempre porta a nuove scoperte. Anzi, in alcuni casi apre la strada a nuovi dubbi e nuovi problemi.
I neutrini sono stati osservati per la prima volta nel 1956 come emissione di un reattore nucleare. Nel 2011 i modelli matematici hanno però evidenziato una piccola frazione di questa emissione che non è mai osservata sperimentalmente. Per mettere alla prova la validità della teoria, che spiega la presenza di queste particelle chiamate neutrini sterili solo sotto forma di interazione gravitazionale con altre particelle, occorrono rilevatori particolarmente sensibili e sofisticati collocati molto vicino a un reattore nucleare.
È quello che stanno facendo i ricercatori giapponesi ed europei con gli esperimenti CeLAND e Sox.
Quest’ultimo è in corso presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, è compiuto con l'esperimento BoreXino (foto) e coinvolge oltre 100 fisici provenienti da Italia, USA, Russia, Germania, Francia e Polonia.
SOX studierà le oscillazioni del neutrino, il fenomeno in base al quale i tre neutrini conosciuti (elettronico, muonico o tauonico) si trasformano l’uno nell’altro con
variazioni periodiche durante la loro propagazione.
In particolare, questo fenomeno, presenta alcune anomalie e non spiega come mai il numero di neutrini prodotti è inferiore a quanto previsto teoricamente.
Una possibile spiegazione della “scomparsa” dei neutrini, suffragata anche da risultati recenti, prevede l’esistenza di altri tipi di neutrini, i neutrini sterili, che si mescolerebbero con i tre noti.
I nuovi neutrini sarebbero inoltre ancora più elusivi dei neutrini conosciuti
dato che non interagiscono con nessuna delle interazioni fondamentali previste dal modello standard (elettromagnetica, nucleare forte e debole),
Foto: © © INFN
Per cercare una particella strana, occorrono strumenti strani. E così gli scienziati, per inseguire i neutrini, hanno realizzato quello che con tutta probabilità è... il telescopio più pazzo del mondo: un blocco di ghiaccio antartico del volume di 1 Km cubo disseminato di sensori che hanno il compito di captare i neutrini provenienti dallo spazio, l'IceCube Neutrino Telescope.
Attivato nel 2010, il telescopio fin’ora ha registrato il passaggio di 28 neutrini di provenienza extra sistema solare.
Sembra insomma che queste particelle non siano così frequenti come ipotizzato da alcuni modelli astrofisici che ne associano la comparsa con eventi ad altissima energia come i lampi di raggi gamma.
Ma gli scienziati non si dicono ancora vinti e per riuscire a “fotografare” l’elusiva particella e carpirne i segreti stanno ipotizzando la costruzione di uno strumento ancora più grande: ARIANNA.
Dovrebbe occupare un volume di oltre 1.000 km cubici di ghiaccio sulla banchisa di Ross, sempre nell'Antartico, e dovrebbe permettere di rilevare neutrini con livelli di energia ancora più alti.
Foto: © © Robert Schwarz
Nei prossimi anni la caccia al neutrino sarà facilitata, o almeno così sperano gli scienziati, da strumenti come il Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE), un impianto di rilevazione dedicato a queste particelle costruito all'interno di una miniera dismessa del South Dakota.
Qui verranno captati i neutrini sparati dal Fermilab di Chicago, in Illinois, a 1300 km di distanza. Il costo stimato per la realizzazione di questo impianto è 1,5 miliardi di euro, motivo per cui il governo a stelle e strisce ha deciso di sospendere temporaneamente il progetto e chiedere ai ricercatori di mettere a punto una soluzione più economica.
LBNE dovrebbe permettere di rispondere a diverse domande sui neutrini, dalla loro massa all'origine dei neutrini sterili, ma al momento tutto fa supporre che la ricerca delle risposte dovrà utilizzare strumenti meno costosi di questo o attendere tempi economicamente migliori.
Foto: © © Reidar Hahn/Fermilab
Terminata da poco la caccia Bosone di Higgs, i ricercatori stanno già pensando come ottenere sempre di più dall’ LHC. Per il momento ipotizzano un potenziamento dello strumento che, entro il 2020, renderà possibile lo scontro tra protoni a livelli di energia fino a 30 TeV, circa 3 volte di più rispetto a quelli attuali. Gli scienziati stanno inoltre cercando di aumentare il flusso di protoni in uscita dallo strumento e, contemporaneamente, di ridurre il rumore di fondo che rende difficile cogliere gli eventi prodotti dalle collisioni protoniche ad alta energia.
Sostenibilità economica permettendo, l’LHC potrebbe però presto essere surclassato da un nuovo, gigantesco, collider di particelle, l’International Linear Collider. Al momento il Giappone è in pole position per la realizzazione dell’ impianto (costo stimato 7 miliardi di euro): il governo di Tokyo si è detto disposto a sostenere metà dei costi di realizzazione a patto che l’acceleratore venga costruito sul suo territorio. Ma Europa e Stati Uniti non sembrano essere particolarmente favorevoli a questa ipotesi.
ILC sarà così potente da produrre contemporaneamente moltissimi bosoni di Higgs, grazie ai quali i fisici potranno approfondire le loro conoscenze sulla particella. E magari scoprire qualcosa di nuovo sul modello standard. Se mai verrà finanziato, la sua costruzione inizierà nel 2016 e dovrebbe essere terminata nel giro di 10 anni.
Foto: © © 2005 CERN
La scoperta della materia oscura è stata una delle più affascinanti dello scorso secolo ma cosa sia esattamente e come si evolva nel corso delle epoche non è ancora chiaro.
Tra gli esperimenti più interessanti finalizzati allo studio di questa strana componente dell’Universo c’è senza The Dark Energy Survey: iniziata lo scorso anno, ha prodotto le immagini di centinaia di migliaia di galassie e ammassi di galassie distanti migliaia di anni luce da noi. Lo studio di questi oggetti celesti e la loro evoluzione nel tempo permetterà agli astrofisici di comprendere meglio la materia oscura.
Per saperne di più su DES non perderti la fotogallery dedicata ai cacciatori di energia oscura.
Foto: © © Reidar Hahn
I tecnici lavorano sull’esperimento Cms (all'interno del Large hadron collider), un cilindro lungo 22 m, con un diametro di 15. Per l’esperimento Cms si riprendono ogni secondo 40 milioni di immagini da 100 megapixel ciascuna.
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
Il tunnel circolare che contiene il Large hadron collider (Lhc) è lungo 27 km e si trova tra 100 e 150 m sotto terra. I tratti blu sono i magneti che incurvano il cammino delle particelle. In un secondo, i protoni percorrono i 27 km dell’Lhc 11.000 volte
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
L’ufficio di John Ellis, importante fisico inglese, nel cosiddetto “Theory Corridor” del Cern. Al Cern lavorano ogni giorno circa 10.000 persone di oltre 100 nazioni; quasi 2.000 gli italiani. L’età più rappresentata è di soli 26 anni
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
Oltre ai protoni, nell’Lhc si possono far scontrare anche pesanti nuclei di piombo. È il caso di Alice (A large ion collider experiment), nella foto. «Quando collidono, i nuclei di piombo quasi si sciolgono, formando una goccia di materia nucleare caldissima» raccontano due ricercatrici italiane che partecipano all’esperimento, Stefania Bufalino e Francesca Bellini. Le condizioni si avvicinano a quelle che nell’universo vi erano una frazione di secondo dopo il Big Bang. «La temperatura record che abbiamo raggiunto è di 5.000 miliardi di gradi, alla quale la materia si presenta sotto forma di un plasma di quark e gluoni, che in sostanza sono i costituenti dei nuclei atomici». Per una frazione di secondo, dentro le macchine prodigiose del Cern, si torna indietro di 13,7 miliardi di anni. Gli esperimenti confermano i modelli che descrivono quelle fasi estreme dell’universo.
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
Via A. Einstein. Tutte le vie del Cern portano nomi di scienziati. Al Cern tutto è incredibile. Qui, nel 1989, è stato inventato nientemeno che il Web, come testimonia una targa accanto alla porta di un anonimo ufficio. Qui qualche volta l’inventiva batte la tecnologia: il piccolo canale in cui sfrecciano le particelle nell’Lhc è stato testato in poche ore facendo correre al suo interno una pallina da ping-pong.
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
L’esterno dell’edificio che ospita l’esperimento Atlas.
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
La sala di controllo dell’esperimento Cms.
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
Una giunzione tra due magneti, come quella dell’incidente del 2008.
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
La corte interna del Building 40 (al Cern gli edifici sono numerati), con un mega poster di Cms. Qui infatti lavorano scienziati degli esperimenti Cms e Atlas.
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
Sergio Bertolucci, direttore della ricerca e del calcolo scientifico del Cern. Alle sue spalle, un poster con il tunnel di Lhc e il suo percorso
Foto: © Roberto Caccuri/Contrasto per Focus
