CERN, tra le particelle e l’universo

CERN, tra le particelle e l’universo (4.50/5) su 4 voti

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Il centro di ricerca CERN di Ginevra è famoso principalmente per via di LHC, l’acceleratore di particelle più grande e potente del mondo. Ma in pratica, cosa succede all’interno di questo centro?

L’articolo diventava troppo lungo quindi l’ho diviso in 3 parti, questa parte spiega l’attività del CERN, in aggiunta sto scrivendo l’articolo riguardante il Modello Standard che sarà disponibile a breve ed un articolo con il funzionamento dell’acceleratore LHC in dettaglio (pure questo disponibile a breve!).

Che cos’è il CERN?
Molti credono che al CERN venga prodotta “energia” o si faccia qualcosa che comunque ha a che fare con la produzione di energia: in realtà è l’opposto, semmai ne consuma una quantità spropositata per alimentare gli esperimenti ed i vari acceleratori del complesso. Fu fondato nel 1954 (quest’anno compie 60 anni!) dopo la seconda guerra mondiale per riequilibrare la presenza di ricercatori in europa visto che la maggior parte fuggirono in america. Un punto fondamentale della costituzione del CERN è la decisione di non accettare per nessun motivo percorsi di ricerca che possano portare alla produzione di armi o indirettamente all’industria bellicamensa_cern. All’interno infatti sono ospitati migliaia di ricercatori e studenti provenienti dalle università di tutto il mondo, i quali siedono alla mensa centrale definita “border free” ovvero senza confini. Ricercatori di nazioni che oggi si fanno la guerra, al CERN pranzano assieme.

Cosa ci guadagna la società con l’attività del CERN?
Nel 1989 all’interno della struttura un ricercatore ebbe l’idea di mettere in comunicazione i vari computer tra di loro per poter effettuare un veloce scambio di dati e risparmiare tempo. La sua lettera di “proposta” dell’idea conteneva uno schema molto preciso di funzionamento, che spiegava esattamente quello che sarebbe stato poi il nostro… internet! Possiamo ringraziare Tim Berners-Lee per aver cambiato completamente il mondo con la sua idea. Parlando di cose più semplici invece, i supermagneti di LHC sono stati progettati decine di anni fa e sono attualmente 4 volte migliori rispetto a quelli utilizzati per la risonanza magnetica negli ospedali. Da anni stanno lavorando per portare questa tecnologia anche negli ospedali e presto infatti avremo risonanze molto più performanti. Due piccoli esempi della miriade di piccole e grandi innovazioni che un centro di ricerca internazionale come questo può portare al mondo intero.

Ma con LHC in particolare che esperimenti fanno?
Lo scopo “modesto” dei fisici è quello di spiegare il funzionamento dell’intero universo dalla più piccola particella all’universo stesso fino ai suoi confini più remoti. Per far questo servono delle formule matematiche, che possano prevedere come funzionano le cose. Una di queste formule è il modello standard che spiega tutto ciò che succede a livello infinitamente piccolo, tra le particelle e gli atomi. Spiega le reazioni nucleari, il comportamento di alcuni spettacolari eventi nell’universo e l’esistenza stessa di varie particelle.

Tutte queste formule devono essere in grado, se inserite all’interno di un supercomputer, di riprodurre il nostro intero universo dal big bang ad oggi in modo estremamente fedele. Qualcosa di simile è stato raggiunto di recente ottenendo questa dettagliatissima simulazione:

Non tutto ciò che esiste è visibile ai nostri occhi. La materia, ovvero ciò che possiamo vedere, percepire o toccare, compone solo il 4% dell’universo ed i fisici sono riusciti a riassumerla in sole 3 particelle: l’elettrone, il quark up ed il quark down. Queste tre particelle combinate fra loro possono generare tutta la materia ordinaria che esiste. Ma quando l’uomo ha iniziato ad osservare lo spazio si è accorto che da esso provengono i raggi cosmici, portatori di nuove particelle mai viste prima d’ora. Infatti secondo il modello standard possono essere presenti altre centinaia di particelle, ma di queste sulla Terra ne troviamo pochissime poiché per crearle sono necessarie energie talmente elevate da essere presenti solo in alcuni punti dell’universo. Una volta create inoltre, decadono in brevissimo tempo in materia e ordinaria, rientrando così nella lista delle tre semplici particelle descritte inizialmente. Per ricreare sulla Terra queste energie si è ricorso alla costruzione di acceleratori di particelle sempre più potenti ed ora con LHC siamo arrivati a livelli impressionanti. Tramite LHC vengono accelerate le particelle quasi alla velocità della luce e vengono fatte scontrare. Per farvi un paragone immaginate di scontrare due biciclette e come risultato trovarvi 3 aerei di linea compresi di passeggeri. Da dove sono comparsi? Come ho fatto a crearli dal nulla? Quando due auto si scontrano queste si accartocciano fino a distruggersi: questo perché devono “consumare” l’energia che le teneva in movimento fino a fermarsi. Anche le particelle devono “consumare” questa energia durante lo scontro. L’energia delle particelle nel fascio di LHC è pari a quella di un treno frecciarossa ai 200 all’ora, quindi quando si scontrano devono poterla dissipare: la dissipano creano nuova materia, nuove particelle! Infatti la creazione di nuova materia corrisponde alla famosa formula di einstein e = mc^2. Questa semplice formula ci dice che pochissimi microgrammi di materia sono equivalenti a tantissima energia se riusciamo ad innescare questa trasformazione: ecco perché le testate nucleari hanno una potenza devastante. L’opposto diventa m = e / (c^2) ovvero che la massa prodotta da una certa energia che si trasforma in materia è calcolata dividendo quella energia per la velocità della luce al quadrato, che è un numero spaventoso in quanto la velocità della luce è 300.000 km al secondo! Quindi serve tantissima energia per generare pochissima materia. lch_collissione_cms

Tornando a noi, i fisici fotografano queste collisioni per verificare che  il comportamento sia esattamente come previsto dal modello standard. Ecco cosa è successo con il bosone di Higgs: all’appello delle particelle previste dal modello standard mancava solo questo bosone, che ancora non era stato rilevato. In realtà si trattava di un grosso problema perché metteva in discussione tutto il modello standard: trovare invece la conferma anche di questa ultima particella ha fatto tirare un grosso sospiro di sollievo ai ricercatori, dando prova loro di essere sulla giusta strada!

Ora che hanno scoperto l’ultima particella mancante, quali saranno i prossimi passi?
Il modello standard spiega solamente il mondo delle particelle a livello infinitamente piccolo, ma non funzionerebbe se applicato ai pianeti o alla nostra vita quotidiana. Viene ad esempio trascurata la gravità, che non è stata inserita nella formula in quanto per particelle così piccole diventa praticamente irrilevante. Per la descrizione dell’universo dei pianeti e della nostra vita quotidiana si utilizza la Meccanica Classica della quale fa parte anche la Teoria della Relatività di Einstein. La Meccanica Classica prende in considerazione la gravità, ma a sua volta non considera alcuni dettagli presenti invece nel Modello Standard. Quindi il prossimo passo sarà quello di trovare un ponte fra queste due teorie, ed il bosone di Higgs potrebbe essere quel dettaglio che ci farà scoprire, si spera, come integrare la gravità nel Modello Standard e quindi avvicinarci un passo di più alla compresione dell’universo.

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