E se fosse possibile osservare i mattoni fondamentali su cui si basa l'Universo? Non è un problema! Tutto ciò di cui avresti bisogno è un enorme acceleratore di particelle, una struttura sotterranea abbastanza grande da attraversare un confine tra due paesi e la capacità di accelerare le particelle fino al punto in cui si annichilano a vicenda, rilasciando energia e massa che potresti poi osservare con una serie di monitor speciali.
Ebbene, per fortuna, una struttura del genere esiste già ed è conosciuta come il CERN Large Hardron Collider (LHC), noto anche come acceleratore di particelle del CERN. Con una circonferenza di circa 27 chilometri e situato in profondità sotto la superficie vicino a Ginevra, in Svizzera, è il più grande acceleratore di particelle al mondo. E da quando il CERN ha attivato l'interruttore, l'LHC ha gettato una seria luce su alcuni misteri più profondi dell'Universo.
Scopo:
I collisori, per definizione, sono un tipo di acceleratore di particelle che si basa su due fasci diretti di particelle. Le particelle vengono accelerate in questi strumenti ad energie cinetiche molto elevate e quindi fatte collidere tra loro. I sottoprodotti di queste collisioni vengono poi analizzati dagli scienziati per accertare la struttura del mondo subatomico e le leggi che lo governano.
Il Large Hadron Collider è il più potente acceleratore di particelle al mondo. Credito: CERN
Lo scopo dei collisori è simulare il tipo di collisioni ad alta energia per produrre sottoprodotti di particelle che altrimenti non esisterebbero in natura. Inoltre, questo tipo di sottoprodotti delle particelle decadono dopo un periodo di tempo molto breve e sono quindi difficili o quasi impossibili da studiare in condizioni normali.
Il termine adrone si riferisce a particelle composite composte da quark che sono tenute insieme dalla forza nucleare forte, una delle quattro forze che governano l'interazione delle particelle (le altre sono la forza nucleare debole, l'elettromagnetismo e la gravità). Gli adroni più conosciuti sono i barioni – protoni e neutroni – ma includono anche mesoni e particelle instabili composte da un quark e un antiquark.
Design:
LHC opera accelerando due fasci di 'adroni' - protoni o ioni di piombo - in direzioni opposte attorno al suo apparato circolare. Gli adroni si scontrano quindi dopo aver raggiunto livelli di energia molto elevati e le particelle risultanti vengono analizzate e studiate. È il più grande acceleratore ad alta energia del mondo, misura 27 km (17 mi) di circonferenza e ad una profondità da 50 a 175 m (da 164 a 574 piedi).
Il tunnel che ospita il collisore è largo 3,8 metri (12 piedi) ed era precedentemente utilizzato per alloggiare il Collider elettrone-positrone di grandi dimensioni (che ha operato tra il 1989 e il 2000). Questo tunnel contiene due linee di luce parallele adiacenti che si intersecano in quattro punti, ciascuna contenente un raggio che viaggia in direzioni opposte attorno all'anello. Il raggio è controllato da 1.232 magneti dipolo mentre 392 magneti quadrupolari vengono utilizzati per mantenere i raggi focalizzati.
Gli elettromagneti quadrupolari superconduttori vengono utilizzati per dirigere i fasci verso quattro punti di intersezione, dove avranno luogo le interazioni tra i protoni accelerati. Credito: Wikipedia Commons/gamsiz
In totale vengono utilizzati circa 10.000 magneti superconduttori, che vengono mantenuti a una temperatura operativa di -271,25 °C (-456,25 °F) – che è appena lontana dallo zero assoluto – da circa 96 tonnellate di elio-4 liquido. Questo rende anche l'LHC il più grande impianto criogenico al mondo.
Quando si effettuano collisioni protoniche, il processo inizia con l'acceleratore lineare di particelle ( LINAC 2 ). Dopo che il LINAC 2 aumenta l'energia dei protoni, queste particelle vengono poi iniettate nel Proton Synchrotron Booster (PSB), che li accelera ad alte velocità.
Vengono quindi iniettati nel Sincrotrone protonico (PS), e poi sul Sincrotrone Super Protonico (SPS), dove vengono ulteriormente accelerati prima di essere iniettati nell'acceleratore principale. Una volta lì, i gruppi di protoni vengono accumulati e accelerati alla loro energia di picco in un periodo di 20 minuti. Infine, vengono fatti circolare per un periodo da 5 a 24 ore, durante le quali si verificano collisioni nei quattro punti di intersezione.
Durante i periodi di funzionamento più brevi, le collisioni di ioni pesanti (tipicamente ioni di piombo) sono incluse nel programma. Gli ioni di piombo vengono prima accelerati dall'acceleratore lineare LINAC 3 , e il Anello ionico a bassa energia (LEIR) viene utilizzato come accumulatore di ioni e unità di raffreddamento. Gli ioni vengono poi ulteriormente accelerati da PS e SPS prima di essere iniettati nell'anello LHC.
Mentre i protoni e gli ioni piombo entrano in collisione, sette rilevatori vengono utilizzati per cercare i loro sottoprodotti. Questi includono il Un apparato toroidale LHC (ATLAS) esperimento e il Solenoide muonico compatto (CMS), che sono entrambi rivelatori di uso generale progettati per vedere molti diversi tipi di particelle subatomiche.
Poi ci sono i più specifici Un grande esperimento con un collisore di ioni (ALICE) e La bellezza del Large Hadron Collider (LHCb). Mentre ALICE è un rivelatore di ioni pesanti che studia la materia a forte interazione a densità di energia estreme, LHCb registra il decadimento delle particelle e tenta di filtrare i quark be anti-b dai prodotti del loro decadimento.
Poi ci sono i tre rilevatori piccoli e altamente specializzati: il Misura della sezione trasversale elastica e diffrattiva TOTALE esperimento (TOTEM), che misura la sezione d'urto totale, la diffusione elastica e i processi diffrattivi; il Rilevatore unipolare ed esotici (MoEDAL), che ricerca monopoli magnetici o particelle cariche (pseudo-)stabili massicce; e il Large Hadron Collider in avanti (LHCf) che monitorano le astroparticelle (alias raggi cosmici).
Storia dell'operazione:
CERN, che sta per Consiglio europeo per la ricerca nucleare (o Consiglio europeo per la ricerca nucleare in inglese) è stato istituito il 29 settembre 1954 da dodici nazioni firmatarie dell'Europa occidentale. Lo scopo principale del consiglio era quello di supervisionare la creazione di un laboratorio di fisica delle particelle a Ginevra dove sarebbero stati condotti studi nucleari.
Illustrazione che mostra i sottoprodotti delle collisioni di ioni piombo, monitorati dal rivelatore ATLAS. Credito: CERN
Poco dopo la sua creazione, il laboratorio è andato oltre e ha iniziato a condurre anche ricerche sulla fisica delle alte energie. È anche cresciuto fino a includere venti Stati membri europei: Francia, Svizzera, Germania, Belgio, Paesi Bassi, Danimarca, Norvegia, Svezia, Finlandia, Spagna, Portogallo, Grecia, Italia, Regno Unito, Polonia, Ungheria, Repubblica Ceca, Slovacchia , Bulgaria e Israele.
La costruzione dell'LHC è stata approvata nel 1995 e inizialmente doveva essere completata entro il 2005. Tuttavia, il superamento dei costi, i tagli al budget e varie difficoltà ingegneristiche hanno spinto la data di completamento all'aprile 2007. L'LHC è andato online per la prima volta il 10 settembre 2008, ma i test iniziali sono stati ritardati di 14 mesi a seguito di un incidente che ha causato ingenti danni a molti dei componenti chiave del collisore (come i magneti superconduttori).
Il 20 novembre 2009, LHC è stato riportato in linea e la sua prima corsa è andata avanti dal 2010 al 2013. Durante questa corsa, ha fatto scontrare due fasci di particelle opposte di protoni e nuclei di piombo a energie di 4 teraelettronvolt (4 TeV) e 2,76 TeV per nucleone, rispettivamente. Lo scopo principale dell'LHC è ricreare le condizioni subito dopo il Big Bang, quando si verificavano collisioni tra particelle ad alta energia.
Principali scoperte:
Durante la sua prima esecuzione, le scoperte di LHC includevano una particella ritenuta il tanto agognato bosone di Higgs, che è stato annunciato il 4 luglio 2012 . Questa particella, che dà massa ad altre particelle, è una parte fondamentale del Modello Standard della fisica. A causa della sua massa elevata e della sua natura elusiva, l'esistenza di questa particella era basata esclusivamente sulla teoria e non era mai stata osservata in precedenza.
La scoperta del bosone di Higgs e il funzionamento in corso dell'LHC hanno anche permesso ai ricercatori di studiare la fisica oltre il Modello Standard. Ciò ha incluso test riguardanti teoria della supersimmetria . I risultati mostrano che alcuni tipi di decadimento delle particelle sono meno comuni di quanto previsto da alcune forme di supersimmetria, ma potrebbero comunque corrispondere alle previsioni di altre versioni della teoria della supersimmetria.
Nel maggio del 2011, è stato riferito che il plasma di quark-gluoni (in teoria, la materia più densa oltre ai buchi neri) era stato creato nell'LHC. Il 19 novembre 2014, l'esperimento LHCb ha annunciato la scoperta di due nuove particelle subatomiche pesanti , entrambi barioni composti da un quark bottom, uno down e uno strano. Il Collaborazione LHCb osservato anche più adroni esotici durante la prima esecuzione, forse pentaquark o tetraquark.
Dal 2015, l'LHC conduce la sua seconda corsa. In quel periodo, si è dedicato a confermare la rilevazione del bosone di Higgs e ad effettuare ulteriori indagini sulla teoria della supersimmetria e sull'esistenza di particelle esotiche a livelli di energia più elevati.
Il rivelatore ATLAS, uno dei due rivelatori generici del Large Hadron Collider (LHC). Credito: CERN
Nei prossimi anni, LHC è in programma per una serie di aggiornamenti per garantire che non soffra di rendimenti ridotti. Nel 2017-18, l'LHC sarà sottoposto a un aggiornamento che aumenterà la sua energia di collisione a 14 TeV. Inoltre, dopo il 2022, il rivelatore ATLAS riceverà un aggiornamento progettato per aumentare la probabilità che rilevi processi rari, noti come LHC . ad alta luminosità .
Lo sforzo di ricerca collaborativa noto come Programma di ricerca sull'acceleratore LHC (LARP) sta attualmente conducendo ricerche su come aggiornare ulteriormente LHC. I primi tra questi sono l'aumento della corrente del fascio e la modifica delle due regioni di interazione ad alta luminosità, ei rivelatori ATLAS e CMS.
Chissà cosa scoprirà l'LHC tra oggi e il giorno in cui finalmente si spegnerà? Con un po' di fortuna, getterà più luce sui misteri più profondi dell'Universo, che potrebbero includere la struttura profonda dello spazio e del tempo, l'intersezione tra la meccanica quantistica e la relatività generale, la relazione tra materia e antimateria e l'esistenza della 'Materia Oscura'. ”.
Abbiamo scritto molti articoli sul CERN e l'LHC per Universe Today. ecco Cos'è il bosone di Higgs? , La macchina Hype si sgonfia dopo che i dati del CERN non mostrano alcuna nuova particella , BICEP2 Ancora una volta? I ricercatori mettono in dubbio la scoperta del bosone di Higgs , Trovate due nuove particelle subatomiche , Sta per essere annunciata una nuova particella? , I fisici forse, solo forse, confermano la possibile scoperta della quinta forza della natura .
Se desideri maggiori informazioni sul Large Hadron Collider, dai un'occhiata al LHC Homepage , ed ecco un link al Sito web del CERN .
Astronomy Cast ha anche alcuni episodi sull'argomento. Ascolta qui, Episodio 69: Il Large Hadron Collider e la ricerca del bosone di Higgs e Episodio 392: Il modello standard – Intro .
Fonti: