LHC e i suoi esperimenti

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LHC -Large Hadron Collider…

a cura di Patrizia Colella

…chi è …e cosa produrrà

LHC -è un acceleratore di particelle, il più grande acceleratore di particelle al mondo, costato in tutto oltre 6 miliardi di euro e al quale hanno partecipato almeno 50 aziende italiane fornendo tecnologia. Il 10 settembre LHC è stato “acceso”.
L’acceleratore Lhc è una struttura realizzata a cento metri di profondità proprio sotto il Cern. È costituita da due anelli: il più grande ha una circonferenza di 27 Km, mentre il più piccolo di 7 Km.

Il progetto e` di dimensioni tali da poter essere realizzato solo attraverso una collaborazione internazionale. La collaborazione e` costituita da 44 istituti universitari e laboratori di 13 paesi. Il gruppo italiano e` il piu` consistente ed e` composto da circa 100 fisici e ingegneri provenienti da 9 universita` e laboratori dell’INFN.

LCH è una delle macchine più grandi mai costruite dagli scienziati, collocati lungo il tunnell che alloggia l’acceleratore di particelle ci sono quattro grandi rivelatori di collisioni CMS, ATLAS. LCHb e  ALICE   

LHC produrrà collisioni frontali tra fasci di particelle pesanti (protoni), accelerate nell’anello a velocità prossime a quella della luce. Viaggiando a questa velocità, ogni secondo le particelle effettueranno 11.245 giri della macchina.

Ogni fascio sarà formato da circa 3000 pacchetti di particelle, ciascuno contenente 100 miliardi di particelle. I pacchetti si incroceranno circa 30 milioni di volte al secondo, quindi LHC produrrà qualcosa come  600 milioni di collisioni al secondo.

Nelle condizioni di normale operatività ogni fascio circolerà per 10 ore, percorrendo una distanza equivalente al tragitto di andata e ritorno dalla Terra a Nettuno (oltre 10 miliardi di km).

Lhc arriverà a sviluppare un’energia di collisione di 14 mila miliardi di elettronvolt  (14 TeV); la luminosità del fascio sarà di 10 34 per centimetro quadrato al secondo (10 milioni di miliardi di miliardi di miliardi).

Al momento delle collisioni, quando i protoni raggiungono velocità relativistiche, il campo magnetico dei dipoli supererà gli 8 tesla e sarà quindi circa 200.000 volte più intenso del campo magnetico terrestre.

Oltre 1000 magneti superconduttori, funzionanti a temperature criogeniche,  prossime allo zero assoluto (271 gradi centigradi sotto zero), guideranno i fasci lungo i 27 Km dell’anello che sarà così il luogo più freddo dell’ Universo.

Dentro il tunnel i fasci circoleranno in un vuoto impressionante confrontabile con quello dello spazio siderale.

Un’importanza cruciale ha il sistema di ‘collimazione’ del fascio, che deve garantire un’efficienza senza precedenti (le perdite non devono superare le 2 particelle su 10.000).

Per fare in modo che i fasci di particelle non sfuggano dall’anello, ma rimangano confinati in esso e ben focalizzati, lungo LHC sono disposti 1.700 magneti, per una lunghezza totale di 24,5 km e una massa complessiva di oltre 40.000 tonnellate. Di questi, 1.232 sono magneti di dipolo e hanno il preciso compito di curvare il fascio lungo l’anello, mentre oltre 400 magneti di quadrupolo mantengono il fascio ben focalizzato.

Ma c’è un altro record di LHC, che val la pena di essere sottolineato: l’elevato numero di ricercatrici provenienti da tutto il mondo, in cui si distinguono le italiane. Molte hanno raggiunto elevati livelli di responsabilità e ricoprono incarichi di primo piano e massima visibilità nel panorama internazionale.

Tra i responsabili del progetto c’è l’italiana Fabiola Gianotti.

…perché

Scopo dell’esperimento sarà quello di scoprire l’origine dell’universo, ricreando le condizioni del Big-Bang, lo scontro iniziale dal quale, secondo gli scienziati, ha avuto origine la vita.

Nuclei che si spaccano quindi nelle collisioni con la possibilità di guardarci finalmente dentro, per scoprire i  segreti del nostro universo.

Il modello standard della fisica subatomica, prevede l’esistenza di quark, leptoni, gluoni e bosoni, ed in particolare il misterioso bosone di Higgs –la particella di dio-soprannominata così per il ruolo cruciale che svolge all’interno della teoria standard, infatti la teoria la indica come portatrice di forza del campo di Higgs che si ritiene permei l’universo e dia massa a tutte le particelle, e sia quindi alla base della gravitazione.

Ma il bosone di Higgs,  particella elementare, massiva, scalare, è l’unica particella del modello standard a non essere stata ancora “osservata”

Il bosone di Higgs fu teorizzato nel 1964 dal fisico scozzese Peter Higgs Poiché il campo di Higgs è un campo scalare, il bosone di Higgs ha spin zero e non ha momento angolare intrinseco. Il bosone di Higgs è anche la sua stessa antiparticella.

In particolare Il Modello Standard non predice il valore della massa del bosone di Higgs. Se la massa del bosone di Higgs risulterà compresa tra 115 e 180 GeV, allora il Modello Standard potrà essere valido a tutte le scale di energia fino alla scala di Planck (1016 TeV). Molti fisici teorici si aspettano che una nuova fisica emerga oltre il Modello Standard alla scala del TeV, a causa di alcune proprietà insoddisfacenti del Modello Standard stesso. Molti modelli supersimmetrici predicono che il valore più basso possibile della massa del bosone di Higgs possa essere appena al di sopra degli attuali limiti sperimentali, intorno a 120 GeV o meno.

Ricerche dirette effettuate al LEP (Large Electron-Positron Collider -LEP-  uno dei più grandi acceleratori di particelle mai costruito che ha operato al CERN di Ginevra a partire dal 1989 ed è stato disattivato nel 2000 e successivamente rimosso per fare posto al nuovo Large Hadron Collider ) hanno permesso di escludere valori della massa inferiori a 114,4 GeV, e misure indirette dalle determinazioni dei parametri elettrodeboli danno indicazioni che i valori più probabili della massa siano comunque bassi, in un intervallo che dovrebbe essere accessibile ad LHC.

….cosa ci si aspetta

O il bosone salta fuori, oppure saltano fuori particella  ancora più piccole (le particelle minuscole della teoria supersimmetrica) e poi lui (o cinque versioni di lui), oppure,  non salta fuori niente. E anche questa è una grande informazione scientifica.

«Nessuno sa se dietro quel buco nel modello standard ci sia solo una faccia oppure sia magari l’imboccatura di un cunicolo, un pozzo che ci potrebbe portare a una visione completamente nuova, e inattesa della fisica e della realtà in cui viviamo….

La prima strada, che Higgs salti fuori subito, senza tirare il collo all’Lhc, è la più facile ma in fondo la più noiosa. Confermerebbe il modello standard ma senza aprire nuovi spazi di ricerca. Forse darebbe qualche indizio sulla materia oscura, finora intravista solo da anomalie intergalattiche. Ma poco di più.
Se invece saltano fuori, prima o insieme, le conferme della teoria supersimmetrica (che corregge la fragilità del modello standard se lo si analizza a energie più elevate di quelle della nostra vita normale) allora cambia tutto: si spalancherà un campo di ricerca entusiasmante in cui potremo forse capire se esistono altre dimensioni rispetto alla nostra, e farci un’idea dell’universo, e della sua energia, molto più profonda».

 spiega Stefano Forte, docente di fisica teorica

GLI ESPERIMENTI

I quattro principali esperimenti di fisica delle particelle di Lhc sono Atlas (A Toroidal LHC ApparatuS), Cms (Compact Muon Solenoid), LhcB ed Alice (A Large Ion Collider Experiment). Eccoli nel dettaglio.
ATLAS – Costato in totale 335,44 milioni di euro di cui 35,625 stanziati dall’Infn italiano, è il più imponente dei rivelatori di Lhc, è grande come un palazzo di 5 piani, alto 25 metri e largo 46 m per un peso totale di 7000 tonnellate (più o meno come Notre Dame). Vanta il più grande circuito magnetico mai realizzato al mondo, lungo 26 metri e costruito interamente in Italia.

Questo esperimento è ‘general purpose’, otterrà informazioni sulle particelle prodotte in Lhc, registrandone il movimento con la precisione di pochi millesimi di millimetro.

Il suo obiettivo principale è raccogliere indizi sul bosone di Higgs, e non solo. Atlas cercherà infatti di capire anche di cosa è fatta e come si è originata la materia oscura che compone gran parte dell’Universo e perchè nell’Universo conosciuto prevale la materia sull’antimateria. Atlas, dunque, scoprirà se esistono nuovi mattoni fondamentali della materia e nuove forze, verificherà la Teoria della Grande Unificazione secondo cui le forze della natura sono in realtà una sola forza e verificherà la teoria Supersimmetrica.

Atlas, tra l’altro, offrirà la possibilità di studiare in laboratorio microscopici buchi neri del tutto simili a quelli che si formano normalmente quando i raggi cosmici ad altissima energia colpiscono la nostra atmosfera. Si tratta di buchi neri che ‘evaporano’ e decadono in molte particelle in una piccolissima frazione di secondo. Atlas è guidato, come responsabile internazionale, da una scienziata italiana, la fisica Fabiola Giannotti. A questo mega esperimento partecipano 35 Paesi, 151 istituti del mondo di cui 13 italiani e collaborano 190 ricercatori dell’ente di ricerca italiano Infn.

CMS – Compact Muon Solenoid costato 327,5 milioni di euro di cui 42,5 di contributo Infn, è un rivelatore di particelle costruito anche questo per ‘general purpose’

Lo scopo principale dell’esperimento e’ la ricerca del bosone di Higgs e degli eventuali partner supersimmetrici delle particelle note.

  Cms è il più grande solenoide superconduttore del mondo, pesa 12.500 tonnellate, ha un diametro di 15 metri ed una lunghezza di 21,6 metri.

Il campo magnetico di Cms è pari a 4 Tesla, 100.000 volte più potente di quello terrestre. E’ stato costruito per rilevare con precisione i muoni, particelle con carica uguale a quella dell’elettrone e massa di 200 volte superiore. All’esperimento partecipano 37 Paesi, 161 istituti di cui 16 italiani e collaborano 210 ricercatori dell’Infn.
ALICE – A large Ion Collider Experiment, costato 81,25 milioni di euro di cui 22,5 di contributo Infn, in cui verranno studiate le collisioni fra nuclei di piombo invece che tra singoli protoni. Usando nuclei di atomi con molti protoni, l’energia sarà tale che i fisici sperano di osservare un plasma di quark e gluoni, uno stato della materia esistito per pochi miliardesimi di secondo subito dopo il Big Bang, a densità e temperature estreme. Alice è alto 16 metri e lungo 20 metri e la sua realizzazione coinvolge 28 Paesi, 78 istituti scientifici di cui 13 italiani e collaborano 150 ricercatori dell’Infn.

Nel corso del XX secolo gli scienziati hanno raccolto un gran numero di prove a sostegno della teoria che afferma che il nostro universo e tutto quanto vi è contenuto hanno avuto origine da un’esplosione primordiale chiamata Big Bang. Mentre l’Universo si espandeva e si raffreddava sono apparse le particelle che costituiscono la materia, dagli atomi alle galassie, così come la osserviamo oggi.

Nei primi istanti dopo il Big Bang, la materia si trovava in uno stato chiamato Plasma di Quark e Gluoni (QGP), un miscuglio molto caldo e denso di quark e gluoni. Quindi, appena 10 microsecondi dopo il Big Bang, questo plasma si è come “congelato”, formando i protoni e i neutroni che ora compongono i nuclei degli atomi. Oggi, i quark e i gluoni si trovano confinati all’interno dei protoni e dei neutroni. Comunque, un tipo di materia simile al QGP potrebbe anche esistere nel nucleo centrale delle stelle di neutroni, dove la densità è così elevata che un volume pari alla capocchia di uno spillo può contenere tutto il materiale di cui è fatta la Grande Piramide d’Egitto.

Gli scienziati che lavorano all’esperimento ALICE useranno LHC per creare il QGP in laboratorio sfruttando collisioni frontali tra nuclei pesanti. Le collisioni comprimeranno e scalderanno i protoni e i neutroni dei nuclei eventualmente formando uno stato, il QGP, in cui quark e gluoni sono deconfinati. La probabilità di creare il plasma aumenta con l’aumentare dell’energia e delle dimensioni dei nuclei utilizzati. Ecco perché ALICE ha scelto di usare nuclei di piombo, che con 208 nucleoni (protoni e neutroni) sono tra i più grandi a disposizione degli scienziati. Il programma di ricerca di ALICE prevede anche lo studio di collisioni tra nuclei più leggeri e di collisioni protone-protone e protone-nucleo.

LHCB – Large Hadron Collider beauty, costato 46,875 milioni di euro di cui 6,875 dell’Infn. E’ un rivelatore di particelle che cercherà di capire il comportamento che hanno avuto materia e antimateria subito dopo il Big Bang. In origine, materia e antimateria dovrebbero essere comparse in quantità uguali, eppure oggi tutto ciò che conosciamo è composto da sola materia. LhcB indagherà perciò la ragione di questa asimmetria.

La superficie dei rivelatori di LhcB è di 435 metri quadrati, il contributo dell’Infn all’esperimento è del 15% dell’investimento totale. Su questo esperimento sono impegnati 596 ricercatori di 51 istituzioni di 13 Paesi di cui 9 istituti italiani, coadiuvati da molte centinaia di tecnici e ingegneri. Infine, a fianco di questi 4 imponenti esperimenti, in Lhc saranno attivi anche due rivelatori più piccoli, Totem e LhcF.

Il “caso” LHC

STRASBURGO – Via libera anche dalla Corte europea dei diritti dell’uomo all’esperimento del Cern che, grazie all’acceleratore “Large hadron collider” (Lhc), cercherà di riprodurre le condizioni immediatamente successive al Big Bang che ha generato l’universo. I giudici si sono pronunciati dopo la denuncia di un gruppo di ricercatori, convinti che il test genererà un buco nero in grado di risucchiare il pianeta.
La causa. Gli oppositori dell’esperimento, guidati da Markus Goritschnig, si erano rivolti alla Corte di Strasburgo, chiedendo che venissero applicate misure di blocco nei confronti dei venti paesi membri del Cern, il Centro europeo per la ricerca nucleare responsabile del progetto. Secondo Goritschnig e gli altri, gli Stati che collaborano al progetto sarebbero responsabili della violazione dell’articolo 2 e dell’articolo 8 della Convenzione europea per i diritti umani, ovvero il diritto alla vita e il diritto al rispetto della vita privata e familiare. La Corte ha tuttavia ritenuto che nessuno di questi articoli fosse stato violato dando così il via libera definitivo all’esperimento.

Gli esperti. Sull’apocalisse paventata dagli oppositori, si è espresso anche il mondo della scienza italiano. E’ sicuro del buon esito dell’esperimento il presidente dell’Istituto nazionale di Fisica nucleare Roberto Petronzio: “Questi scenari apocalittici non hanno alcun riscontro reale. Da Lhc non arriva nessun pericolo. L’allarme lanciato è basato su congetture e ipotesi e non su riscontri reali”. Stessa posizione anche per il presidente del Cnr ed ex direttore generale del Cern Luciano Maiani: “L’esperimento è da considerare a rischio zero, relativamente a quanto quest’espressione possa essere utilizzata in fisica: è stato giusto porsi il problema ma esso non ha un fondamento tale da indurre preoccupazioni”.

da Wikipedia:

Rischi Simulazione della rilevazione del bosone di Higgs
 
Secondo alcuni l’LHC potrebbe causare la distruzione della Terra Secondo questi il CERN potrebbe:
* Creare un buco nero stabile
* Creare strangelet, composti fatti da quark strange, che convertono la materia ordinaria in materia strana
* Creare monopoli magnetici che potrebbero catalizzare il decadimento dei protoni
Il CERN, dopo accurati studi teorici ha ribadito  le conclusioni di una valutazione già fatta nel 2003 secondo la quale non sussiste alcun pericolo.

Nel 2003 il CERN aveva sostenuto che è noto da tempo che la Terra viene costantemente colpita da raggi cosmici di energia anche enormemente superiore a quella dei fasci di LHC, senza che ciò causi alcun danno. Inoltre, se pure venissero prodotti mini buchi neri, essi evaporerebbero immediatamente per via della radiazione di Hawking e quindi sarebbero innocui.

Un laureato in biologia, fisica e legge, che si definisce “fisico nucleare”, tale Walter Wagner] aveva sostenuto che un mini buco nero creato in laboratorio è considerevolmente differente da uno creato dai raggi cosmici ad alta energia che colpiscono la Terra. Se i raggi cosmici producono veramente mini buchi neri, come sostengono alcune teorie, viaggerebbero a una velocità relativa alla Terra molto alta (0,9999 c) e, come un neutrino, attraverserebbero la Terra in circa 0,25 secondi senza interagire con la materia; o al massimo se interagissero comunque inghiottirebbero al massimo qualche quark a un ritmo molto lento. Al contrario un mini buco nero creato nell’LHC sarebbe relativamente a riposo, e ci sarebbe una probabilità su 105 che non raggiunga la velocità di fuga terrestre; nel caso la velocità del minibuco nero fosse minore della velocità di fuga della Terra verrebbe catturato dal campo gravitazionale terrestre e dopo un po’ di tempo interagirebbe lentamente con la materia e acquisterebbe sempre più massa fino a inghiottire la Terra. Questo a patto che la radiazione di Hawking non esista perché se esistesse allora il mini buco nero evaporerebbe e non ci sarebbe pericolo.

Per quanto riguarda la radiazione di Hawking la sua esistenza non è stata ancora verificata e quindi potrebbe anche non esistere. Se non esistesse i mini buchi neri creati sarebbero stabili e potrebbero distruggere la Terra. Tuttavia, afferma il fisico Landsberg, anche se Hawking sbagliasse il mini buco nero divorerebbe la materia così lentamente che per divorare un milligrammo ci vorrebbe più dell’età dell’universo

Tuttavia, anche se la maggior parte degli scienziati ritiene che non c’è nessun pericolo, non tutti sono d’accordo con questa affermazione. Secondo lo scienziato tedesco Rossler i mini buchi neri potrebbero nella peggiore delle ipotesi inghiottire la Terra in 50 mesi.[20]. Walter Wagner e Luis Sancho hanno citato in giudizio presso una corte delle Hawaii il Cern, il Fermilab di Chicago e il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti che hanno partecipato alla costruzione dell’acceleratore.

Gli scienziati del CERN, come ad esempio l’italiano Michelangelo Mangano, hanno rivisto ed aggiornato la valutazione dei rischi del 2003 producendo una nuova valutazione dei rischi  nella quale hanno ribadito che non c’è nessun pericolo perché:

* per quanto riguarda i buchi neri, essi non sarebbero una minaccia perché:
o evaporerebbero in 10-27 sec. a causa della radiazione di Hawking
+ se non evaporassero, questo vorrebbe dire che la meccanica quantistica è errata e ciò è altamente improbabile.
o pur ammettendo che alcuni mini buchi neri potessero non riuscire a raggiungere la velocità di fuga terrestre, sostiene che, anche se non evaporassero, i mini buchi neri ci metterebbero tempi enormi (tipo 1011 anni) per inghiottire la Terra.
o Inoltre se i buchi neri prodotti dal LHC fossero una minaccia, allora le stelle di neutroni vivrebbero al massimo 100 milioni di anni. Sono state osservate invece stelle di neutroni con più di un miliardo di anni di età. Dunque la probabilità che venga distrutta la Terra è molto bassa, all’incirca 1 su 1022.
* per quanto riguarda gli strangelet non sarebbero una minaccia perché:
o è improbabile che gli strangelet creatisi siano carichi negativamente (poiché il numero di quark strange è minore del numero di quark down e di quark up)
o pur ammettendo che si potessero creare all’LHC alcuni strangelet abbastanza lenti da non rompersi e che siano quindi liberi di crescere, non sarebbero una minaccia perché:
+ se i raggi cosmici generassero strangelet lenti e intrappolati nel campo magnetico galattico, finirebbero in nuvole di gas e dentro le stelle. Le frequenze di esplosioni simili a quelle delle stelle di neutroni lo smentiscono.
+ man mano che cresce la densità di energia, diminuisce la probabilità che si generino strangelet. Dunque non si potrebbero generare all’LHC.
* per quanto riguarda i monopoli magnetici non sarebbero una minaccia perché:
o la Terra viene costantemente colpita da raggi cosmici di energia anche enormemente superiore a quella dei fasci di LHC, senza che ciò causi alcun danno.
* idem per il decadimento del falso vuoto.

Il 10 settembre LHC è stata “acceso” …qualche commento…

…«macchina del Big Bang che avrebbe potuto distruggere la terra», osserva il fisico Carlo Bernardini, direttore della rivista divulgativa «Sapere». Paure come quella della fine del mondo, prosegue il fisico, sono particolarmente facili da alimentare perchè «si innestano su una generale paura della scienza. Il problema – secondo Bernardini – è che la maggior parte della gente rifiuta di accettare che qualunque tecnologia presenta dei rischi e che bisogna essere capaci di valutare e accettare il rapporto fra rischi e benefici». Ecco allora qualche cifra e qualche confronto per avere la dimensione di quello che accadrà oggi, quando i primi fasci di protoni percorreranno per la prima volta l’anello lungo 27 chilometri dell’Lhc: le collisioni fra particelle avverranno all’energia di 450 GeV, pari a quella di due automobili lanciate a 150 chilometri orari che si scontrano; nei giorni seguenti l’energia utilizzata nell’Lhc sarà aumentata a cinque Tev, pari a quella di due camion lanciati a 150 chilometri orari che si scontrano frontalmente; a regime l’energia di ciascun fascio di particelle salirà a sette Tev, pari a uno scontro frontale fra due treni ad alta velocità. I tanto temuti buchi neri si formano ogni secondo nell’universo causati dai raggi cosmici e si calcola che sulla Terra siano finora avvenuti 10.000 esperimenti naturali paragonabili a quelli che avverranno nell’Lhc. Infine, nei 4,5 miliardi di vita della Terra la natura ha già prodotto tante collisioni fra particelle quante ne possono produrre un milione di esperimenti condotti nell’Lhc.


Un successo tecnologico, quello di oggi nel grande laboratorio dei fisici, nemmeno più definibile come europeo (20 nazioni partecipanti, 6 miliardi di euro e vent’anni di lavoro per costruire l’Lhc). Ma non ancora un evento scientifico. «L’anello, oggi, ha dimostrato che funziona, e senza intoppi – spiega Stefano Forte, docente di fisica teorica – ma sta ancora lavorando a bassa energia, a soli 0,7 Tesla. Quando arriverà a regime, dai 4 Tesla fino a 8, e avverranno le vere collisioni tra fasci protonici controrotanti, si comincerà a lavorare sul serio»

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La previsione è per metà ottobre.

 Kate McAlpine, 23 anni, laureata in fisica in Michigan e poi ricercatrice al Cern ha creato un video rap su LHC.  Per il suo Rap ha fatto ballare veri scienziati e tecnici del laboratorio, dentro la caverna circolare, di 27 chilometri che ospita l’anello criogenico

http://it.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM