L esperimento LHC al Cern di Ginevra Domenica 18 Aprile 2010 COMUNITA DELL ISOLOTTO (gruppo Elena, Gian Paolo, Giulia, Maria, Roberto, Sergio) L esperimento LHC al Cern di Ginevra Lettura biblica: Genesi, 1. Il Corano: Sura 16. L eresia del Big Bang ( Da: Enzo Mazzi Il valore dell eresia, Ediz. manifestolibri (2010), pag. 34). Il sogno, razionale, di molti scienziati ci avverte che all origine dell universo c è una grande esplosione. L hanno chiamata Big Bang. Ebbene quel grande botto avrebbe interrotto ereticamente il presumibile stato di implosione precedente dando origine all espansione della materia e rendendo possibile ogni trasformazione. E questa la prima eresia, creatrice di tutto, animatrice di tutto? L arché primaria? La mia è solo una intuizione frutto di molte socializzazioni alla ricerca di un senso alle tante contraddizioni della vita Fino ai primi decenni del secolo scorso si pensava che l'universo fosse una realtà statica. C erano dubbi fra gli scienziati ma solo a livello teorico. Ad esempio, nei primi anni '20 i teorici Alexander Friedman e Georges Lemaître avevano già proposto modelli cosmologici nei quali l'universo evolve e Lemaître aveva anche previsto la legge di espansione poi verificata sperimentalmente. Fu nel 1929 che uno scienziato, l'astronomo Edwin Hubble, scoprì sperimentalmente che le galassie si stanno tutte allontanando le une dalle altre. Fu una specie di seconda rivoluzione copernicana. Tutti i modelli statici dell Universo, fino ad allora largamente favoriti, furono ribaltati. Come per tutte le rivoluzioni, ci volle tempo perché i suoi principi si consolidassero. Fu solo alla fine degli anni '60, quando avvenne la scoperta della radiazione cosmica di fondo come residuo del Big Bang, che si cessò definitivamente di considerare la teoria dello stato stazionario dell Universo come una valida alternativa. Dopo la scoperta di Hubble le teorie che postulavano la nascita dell'universo dal Big Bang ricevettero sempre più consensi. Ormai è consolidata la teoria secondo la quale all inizio di tutto ci sarebbe un bruscolo infinitesimale, denominato singolarità, una situazione estrema, in cui le leggi della fisica non sarebbero più valide. A un certo momento questo bruscolo cosmico esplode. Detto in termini profani e dissacratori. E stato mostruosamente calcolato perfino il tempo che ci separa da quella esplosione, 13,73 miliardi di anni. Sulle primissime fasi del Big Bang esistono molte speculazioni. Lasciamole agli esperti. A noi qui interessa la sostanza: l Universo si sta espandendo, a partire da un'epoca in cui tutta la materia era condensata in un punto a energia infinita. E dove starebbe l eresia? Proseguiamo in questa rognosa e pericolosa invasione nel campo della cosmologia. La seconda rivoluzione copernicana, che prevede un modello di Universo in espansione a partire da un inizio, rende inevitabile e fondata la questione di capire cosa c'era prima del Big Bang. Sembra un modo per non affrontare il problema una risposta del tipo il prima e il dopo sono categorie temporali nate col Bin Bang e quindi la questione del prima non si pone, perché se spazio e tempo sono nati con la grande esplosione domandarsi cosa c'era prima non ha senso. Ed eccoci al punto: ha senso. Qualcuno ha provato a pensare cosa potesse esserci prima. Secondo alcuni studi-simulazione, prima del Big Bang c era un Universo in fase di contrazione caratterizzato da una geometria spaziotemporale simile a quella dell Universo attuale. Quando l Universo si è contratto fino a diventare un punto, le proprietà quantistiche dello spazio-tempo hanno trasformato la gravità da forza attrattiva a forza repulsiva e l Universo è rimbalzato espandendosi a partire dal Big Bang, nello stato che ancora oggi osserviamo. E questo rimbalzo che chiamo eresia creativa. E mi sembra perfettamente legittimo. L eresia espansiva dunque non come realtà a sé stante contrapposta a stabilità. Ma l eresia vista nei
suoi aspetti creativi, profetici, positivi. Non quindi solo come specchio negativo dell'intolleranza. Non frutto dello sguardo dei vincitori sulla storia né sentimento del vittimismo dei vinti. Ma riscatto della vitalità creativa delle esperienze eretiche animate dalla forza creativa che ha generato l universo e che continua a generarlo senza sosta. Queste intuizioni, che a qualcuno possono apparire un po ostiche e ardite, non nascono però dal nulla. Non sono elucubrazioni di una mente troppo fertile. S inseriscono piuttosto nel lungo e affaticato cammino riflessivo dell umanità e si alimentano alle fonti della sapienza di ogni epoca... E per me stupefacente, ad esempio, riscontrare certe affinità simboliche fra quello che ho chiamato sogno dei sogni e cioè la teoria del big bang e il mito tahitiaho che narra la nascita dell'universo da una entità pesante e minuscola che si dilatò per ogni dove. L esperimento LHC al Cern di Ginevra: scontri di protoni ad energie elevatissime. Il Large Hadron Collider (LHC) è la macchina più grande del mondo. E stata costruita per cercare di scoprire di che cosa è fatta la stragrande maggioranza della materia e dell energia contenuta nell Universo. Oggi sappiamo solo che esiste molta materia oscura e molta energia oscura, ma non sappiamo di che cosa sono fatte. LHC potrebbe vedere anche il famoso bosone di Higgs, la particella il cui campo permette a tutte le particelle di avere una massa. Al Cern di Ginevra (Conseil Européen pour la recherche nucléaire), il centro di ricerca europeo diretto dal prof. Rolf Heuer, pochi minuti dopo le 13 del 30 Marzo 2010 è accaduto l evento tanto atteso: dopo giornate di lavoro di preparazione, i due treni di protoni hanno iniziato a circolare stabilmente nel tunnel dell LHC, uno in senso orario e l'altro in senso antiorario, a una velocità vicina a quella della luce. Poi, quando gli scienziati hanno iniziato a vedere che i due fasci erano stabili e controllabili, li hanno orientati fino a farli scontrare. La collisione è avvenuta a un energia di 7 TeV (Tera elettronvolt, ovvero 7 mila miliardi di elettronvolt), 3,5 TeV per fascio. Un energia 3 volte e mezzo più alta di quella ottenuta fino ad oggi nel laboratorio Tevatron di Chicago. Nelle cose più semplici della vita quotidiana disponiamo di questi livelli di energia. Nell LHC però questa energia è concentrata in un volume così piccolo da riprodurre le condizioni che si avevano una frazione infinitesima di secondo dopo l esplosione da cui ebbe origine il nostro universo, il Big Bang, con temperature 1000 miliardi di volte superiore a quella del cuore del Sole. Potremo far tornare in vita quelle particelle che oggi non ci sono più e che hanno dato origine al mondo che oggi noi osserviamo. LHC è un anello lungo 27 chilometri scavato a 100 metri sotto il livello del suolo, a cavallo tra la Svizzera e la Francia, all'interno del quale ci sono i tubi (nei quali è praticato il vuoto) ove circolano i protoni a velocità vicinissime a quelle della luce per poi scontrarsi. La traiettoria circolare dei protoni nel tunnel è resa possibile da 9300 magneti, realizzati con filo superconduttore immerso in elio liquido, ovvero alla temperatura di meno 271 C. Il consiglio del Cern approvò il progetto della sua costruzione nel 1994 e successivamente furono definiti i quattro esperimenti da realizzare per vedere le particelle, prima che si disintegrino, sprizzate dalle collisioni dei protoni, particelle elementari che compongono gli atomi. I quattro immensi macchinari che permettono di vedere le particelle sono CMS coordinatoguido Tonelli dell'istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ALICE coordinato da Paolo Giubellino (INFN), ATLAS coordinato da Fabiola Gianotti (Università di Milano) e LHCb. Nel 2008 LHC è stato completato con il lavoro di migliaia di persone che in tutto il mondo si sono dedicate a progettare e realizzare un gigantesco puzzle di apparecchiature. L Italia partecipa a questo progetto con 500 scienziati coordinati dall Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Il costo è stato di 2 Miliardi di Euro, suddivisi fra i 20 paesi partecipanti (38 paesi partecipano agli esperimenti). Dal 2008 c è voluto molto tempo per arrivare al momento dell accensione, perché la macchina è così complessa che, appena inaugurata, bastò un piccolo difetto nel funzionamento per bloccarla per mesi, durante i quali è stata effettuata una grande quantità di verifiche. I fisici delle
particelle sono convinti che in futuro sarà impossibile costruire una macchina più grande di questa. L opinione pubblica si pone la domanda se tutti questi sforzi economici e questo lavoro di migliaia di scienziati trovi giustificazione negli obbiettivi che si vogliono raggiungere con LHC. Forse ne è valsa la pena perché l esperimento si propone di capire come ha avuto origine l universo, come si è evoluto e come si sta evolvendo per apparirci come noi lo vediamo oggi. Molte cose dell universo ci sono ancora poco chiare. Ad esempio, perché le particelle elementari (come ad esempio i protoni e gli elettroni) sono dotate di massa e perché le loro masse sono diverse le une dalle altre. La fisica teorica ha supposto l esistenza di una particella, chiamata il bosone di Higgs, che spiegherebe questo fatto: l interazione delle particelle con questo bosone determinerebbe la loro massa. Questa particella però non è stata mai osservata sperimentalmente. Un altro mistero riguarda l antimateria. L antimateria è l immagine speculare della materia. I fisici ritengono che al momento della nascita dell universo materia e antimateria siano state prodotte nella stessa quantità. Quando materia e antimateria si scontravano si annullavano a vicenda. Oggi però il nostro universo è fatto tutto di materia. Perché? Se potessimo vedere l antimateria prodotta dal Big Bang, forse ne sapremmo di più. C è poi il problema della materia oscura. Secondo i calcoli dei fisici, tutta la materia che noi vediamo è solo il 4% della massa totale dell universo. Per spiegare alcuni effetti gravitazionali si deve supporre l esistenza di una materia oscura della quale osserviamo soltanto gli effetti sulla materia che vediamo, come le rotazioni delle galassie. Inoltre, alcuni fisici teorici ipotizzano che le nostre quattro dimensioni (le tre conosciute più il tempo) siano troppo poche per descrivere l universo. Si ipotizza che aumentando l energia con la quale interagiscono le particelle saremo in grado di individuare altre dimensioni. Per avere le risposte che i fisici si attendono ci vorrà molto tempo: devono essere registrate miliardi di immagini delle tracce lasciate dalle particelle e dalle radiazioni che si generano nelle collisioni. L analisi sarà effettuata mediante supercalcolatori situati in varie parti del mondo, collegati in rete (GRID), che con elaborazioni molto complesse scarteranno un altissimo numero di immagini dovute a particelle note per cercare gli eventi rari che potrebbero presentare un nuovo stato della materia o nuove particelle. Delle migliaia di collisioni registrate già nei primi giorni circa il 99 % sarà scartato. I circa 5000 fisici del Cern faranno i turni giorno e notte e ogni scheggia dalla forma interessante verrà "fotografata" quando apparirà sui monitor dei quattro grandi macchinari. Aumentando ancora l energia si potrà ottenere risultati ancora più interessanti. Fino al 2011 si continuerà a registrare gli effetti delle collisioni fino a 7 TeV. Poi LHC verrà spento per un anno per prepararsi al grande salto: collisioni a 14 TeV (7 TeV per fascio). Poi si passera' ai nuclei di piombo, quelli che ad ''Alice'' interessano di più. Utilizzando collisioni fra nuclei (una grande quantità di protoni e neutroni) sarà possibile creare un plasma di quark e gluoni, che sono i componenti dei protoni e dei neutroni: sono i mattoni della materia. Così si vedranno un gran numero di particelle emesse e dalle loro caratteristiche si potrà risalire alla storia dei primi istanti dell'universo. Si studieranno le interazioni tra quark e gluoni, quando sono liberi, e come si associano in una frazione infinitesima di secondo per formare le particelle ordinarie, gli adroni, come è successo all origine dell Universo. Dall articolo dell Unità del 31/03/2010 (Cristiana Pulcinelli: Al Cern di Ginevra si scatena l energia primordiale, pag. 40-41), integrato con informazioni ricavate dagli articoli di Elena Dusi su La Repubblica del 30/03/2010 (Cern, maxi-scontri tra protoni. Generata energia da record) e del 31/03/2010 (Cern, il Big Bang in laboratorio che svelerà un nuovo mondo, pag. 55) e dell articolo di Gabriele Beccaria su La Stampa del 31/03/2010 (Parte l acceleratore LHC di Ginevra. Un team internazionale di mille scienziati indagherà l origine della materia,tuttoscienze,pag. 31); www.cern.ch, www.infn.it/lhcitalia/. Glossario
Atomo: è composto da un nucleo centrale e da elettroni periferici ed è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche. Nucleo: composto da protoni, particelle cariche positivamente, e da neutroni, particelle prive di carica. Adrone (dal greco adrós, forte) è una particella subatomica soggetta alla forza nucleare forte, come i protoni e i neutroni. Bosone di Higgs: particella portatrice di forza del campo di Higgs che si ritiene permei l'universo e dia massa a tutte le particelle (chiamata ironicamente la particella di Dio in un libro di Leon Lederman e Dick Teresi), venne previsto per la prima volta negli anni Sessanta dal fisico scozzese Peter Higgs.