Di cosa è fatto l'Universo, di cosa siamo fatti ? RUN 2 per LHC 

 

Il 23 Marzo di quest'anno il grande acceleratore del CERN, la più potente e complessa macchina mai costruita per esperimenti di fisica, riprenderà a funzionare dopo i lavori di manutenzione e aggiornamento effettuati nel corso di questi due ultimi anni. L'inizio di questa nuova fase è stata denominata - con gergo informatico - Run2.

La parte più ingombrante di LHC è un anello circolare lungo 27 Km posto a circa 100 metri sotto la città di Ginevra
La parte più ingombrante di LHC è un anello circolare lungo 27 Km posto a circa 100 metri sotto la città di Ginevra

La macchina - si chiama LHC ( Large Hadron Collider ) - era stata spenta il 14 febbraio 2013: ora con la fase Run 2 ognuno dei due fasci di protoni che girano in verso opposto all'interno di una ciambella metallica lunga circa 27 Km - internamente totalmente vuoto - potrà viaggiare alla potenza massima di 6,5 Tev.

Questo significa che nei punti di collisione fra i due fasci la collisione fra i due protoni disporrà di ben 13,0 Tev. Questa potenza è il doppio di quella disponibile nella fase di Run 

 

A queste nuove energie, dopo la scoperta dell'ultima particella che ancora mancava di essere osservata ( il famoso bosone di Higgs ), la fisica delle particelle si inoltrerà su frontiere sconosciute dove sarà possibile - si spera - verificare teorie oltre il "modello standard", come quella -ad esempio - della "supersimmetria".

Il "modello standard" é una teoria nata negli anni '60 che ha spiegato "quasi tutto" nel campo della fisica delle particelle:  così come in chimica la tavola di Mendeleev ha non solo evidenziato una regolarità periodica nelle proprietà chimiche degli elementi e nel frattempo ha consentito di prevedere - la dove c'erano caselle vuote - elementi sconosciuti, analogamente il "modello standard " - costruito pezzo dopo pezzo dai fisici delle particelle - ha consentito di mettere ordine nel gran numero di particelle elementari che nel tempo sono state scoperte e nel frattempo ha guidato alla ricerca di particelle non ancora scoperte sperimentalmente.

L'ultima particella che rimaneva da scoprire sperimentalmente era il ben noto bosone di Higgs. Questa particella è stata infine scoperta nel luglio del 2013 allo LHC di Ginevra. 

Le famiglie di particelle. Dopo molti decenni di studi teorici e prove sperimentali - sappiamo che c'è la materia e l'antimateria, che esiste la famiglia delle particelle chiamate leptoni ( particelle leggere: elettroni, muoni, tauoni, neutrini ), che esiste la famiglia degli adroni ( particelle pesanti che sono costituite ciascuna da un insieme di quark ), che esiste  l'insieme delle particelle mediatrici ( quelle che permettono le interazioni fra quark e quark, fra leptoni e leptoni, ecc. ). Le particelle mediatrici sono il fotone, i gluoni e infine i bosoni ( W+, W-,, Z), infine il bosone di Higgs che conferisce massa a tutte le particelle.

Tutto l'universo e noi siamo fatti di queste cose e di una natura dove ci sono particelle - particelle virtuali - che - violando per brevissimi intervalli di tempo le leggi di conservazione dell'energia - si creano dal nulla e nel nulla ritornano magari dopo avere determinato eventi fisici sulle particelle reali. Una natura nella quale la massa delle particelle elementari non è una loro qualità intrinseca ma un effetto di interazioni con il bosone di Higgs. Tutte cose che affascinano e che ci conducono - o meglio mi conducono - alla grandezza di Colui che con la sua volonta e il suo amore ha Creato l'universo e noi piccolissime creature.

Tutto finito con Higgs ? Per niente. A due anni dalla sua scoperta Il bosone di Higgs gode ancora di una incertezza - per quanto attiene al suo esatto profilo - del 20 - 30 %.

Definirlo con maggiore precisione è essenziale per comprendere fino a che punto quello che si è scoperto è ciò che esattamente si cercava o qualcosa di molto simile.

Per definire il suo esatto profilo LHC dovrà lavorare ancora per molti anni: si pensi che quando i due fasci di protoni ( che ruotano in verso contrario all'interno del tubo a ciambella lungo 27 Km ) si scontrano, si originano circa 1 miliardo di collisioni. Solo mediante i computer si riescono a isolare le collisioni che interessano. Quelle isolate dal computer ( circa 200 ) vengono attentamente studiate e alla fine quelle che sono veramente utili ai fini del bosone di Higgs sono veramente poche: in media uno ogni tre ore !

 

Quindi run 2 per LHC significherà in primo luogo tornare a definire l'esatto profilo della particella di Higgs.

 

 

Oltre il modello standard. La fisica si trova infatti ad affrontare problemi piuttosto complessi che concernono la nostra comprensione della natura rispetto ai quali il "modello standard" appare inadeguato:

a) non spiega perché il neutrino ha una - seppur molto piccola - massa;

 

b) non permette di spiegare la natura della materia oscura la quale rappresenta quasi il 27% della materia dell'universo;

 

c) non permette di dare una spiegazione concreta della natura dell'energia oscura che permea tutto l'universo e che rappresenta circa il 68% dell'energia dell'universo.

 

d) non permette di spiegare perché nell'universo che conosciamo c'è più materia che antimateria. 


In sintesi conosciamo solo di cosa è fatto il 5% dell'universo ! 


Di per se il "modello standard" ha già dei limiti intrinseci fra i quali:

- appare inadeguato a unificare la teoria della "relatività generale" ( in sostanza la gravitazione universale ) con le teorie dei campi delle altre tre forze fondamentali: elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole: il gravitone ( mediatore della forza gravitazionale ) non appartiene alle famiglie di particelle del modello standard !

 

- postula i valori di vari parametri senza chiarirne l'origine.

 

La supersimmetria. Le teorie supersimmetriche promettono di risolvere gran parte dei difetti del "modello standard" e prevedono l'esistenza di particelle molto più "pesanti" rispetto a quelle fino ad ora osservate e possiamo pensare che siano proprio quelle della materia oscura. Sono teorie molto complesse le quali richiedono strumenti matematici ancora difficili da maneggiare.

Le teorie "supersimmetriche" postulano molte altre dimensioni fisiche oltre a quelle a noi note: larghezza, profondità, altezza, tempo. Questo significa che qualora si scoprissero particelle dello zoo supersimmetrico dovremmo pensare che la natura ha più dimensioni rispetto a quelle che la nostra esperienza macroscopica ci suggerisce.

 

Poichè Run 2 spingerà la ricerca utilizzando energie doppie rispetto alla prima fase nell'ambiente dei fisici c'è speranza di trovare pezzi del mondo nuovo che le nuove teorie delle particelle e i problemi precedentemente esposti pongono con urgenza davanti a loro.

 

Costi. Ovviamente ricerche così complesse richiedono ingenti risorse sia umane che finanziarie. LHC è frutto di una collaborazione internazionale nella quale il nostro paese ha partecipato finanziariamente con una quota di circa il 12%. Il costo iniziale di LHC fu di circa 6 mld di euro - spalmato in 15 anni. Il costo di esercizio è dell'ordine di 1 mld circa l'anno.

Una buona parte della quota versata dal nostro paese nella fase di costruzione è rientrata sotto forma di commesse per le nostre industrie. Commesse che hanno avuto l'effetto di rendere tali imprese leader in vari campi: elettronica, tecniche del vuoto, informatica, impiantistica industriale, idraulica, cavi elettrici speciali, sensori di controllo, cavi superconduttori, ecc. [ elenco imprese italiane che hanno ricevuto commesse dal CERN per LHC ]

Ma buona parte dei ricercatori sono italiani: basta pensare a Fabiola Gianotti che è la prima donna ad avere la responsabilità di essere direttrice generale del CERN.

 

Con Fabiola Gianotti è la terza volta che uno scienziato italiano arriva al vertice del Cern che conta fra i suoi padri fondatori il fisico Edoardo Amaldi, uno dei "ragazzi di Via Panisperna". A ricoprire l'incarico di direttore generale del laboratorio di Ginevra, infatti, sono stati il Nobel Carlo Rubbia, primo dg italiano dal 1989 al 1994, poi, cinque anni più tardi, è stata la volta del fisico Luciano Maiani al vertice del Cern dal 1999 al 2003.


 

Silvestro Consoli

 

 

( 150318)