Large Hadron Collider

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L'interno del tunnel del LHC, dove sono stati installati magneti superconduttori.

Il Large Hadron Collider (in italiano: grande collisore di adroni, abbreviato LHC) è un acceleratore di particelle[1], situato presso il CERN di Ginevra e utilizzato per ricerche sperimentali nel campo della fisica delle particelle.

Indice

[modifica] Caratteristiche

L'LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente finora realizzato. Può accelerare protoni e ioni pesanti fino al 99,9999991% della velocità della luce e farli successivamente scontrare, raggiungendo attualmente un'energia, nel centro di massa, di 7 teraelettronvolt (si prevede che agli inizi del 2013 tale energia possa arrivare a 14 teraelettronvolt). Simili livelli di energia non erano mai stati raggiunti fino ad ora in laboratorio. È costruito all'interno di un tunnel sotterraneo lungo 27 km situato al confine tra la Francia e la Svizzera, in una regione compresa tra l'aeroporto di Ginevra e i monti Giura, originariamente scavato per realizzare il Large Electron-Positron Collider (LEP). Il tunnel si trova a 100 m di profondità in media.

I componenti più importanti dell'LHC sono gli oltre 1600 magneti superconduttori raffreddati alla temperatura di 1,9 K (-271,25 °C)[2] da elio liquido superfluido che realizzano un campo magnetico di circa 8 tesla, necessario a mantenere in orbita i protoni all'energia prevista. Il sistema criogenico dell'LHC è il più grande che esista al mondo.

L'entrata in funzione del complesso[1], originariamente prevista per la fine del 2007[3], è avvenuta il 10 settembre 2008 alle ore 9:45 locali[4][5][6], inizialmente ad un'energia inferiore a 1 TeV.

Il 10 settembre 2008 i protoni hanno percorso per la prima volta con successo l'intero anello dell'LHC. Il 19 settembre 2008 le operazioni furono fermate a causa di un serio incidente che provocò una massiccia fuga di elio, il danneggiamento di alcuni magneti e la contaminazione dei tubi a vuoto.[7] L'LHC ha ripreso la sua attività il 20 novembre 2009.[8]

Il Large Hadron Collider con i suoi punti sperimentali e preacceleratori. I fasci di protoni e ioni pesanti di piombo partiranno dagli acceleratori in p e Pb. Continueranno il loro cammino nel proto-sincrotrone (PS), nel super-proto-sincrotrone (SPS) per arrivare nell'anello più esterno di 27 km. Durante il percorso si trovano i quattro punti sperimentali ATLAS,CMS,LHCb,ALICE

La macchina accelera due fasci di particelle che circolano in direzioni opposte, ciascuno contenuto in un tubo a vuoto. Questi collidono in quattro punti lungo l'orbita, in corrispondenza di caverne nelle quali il tunnel si allarga per lasciare spazio a grandi sale sperimentali. In queste stazioni vi sono i quattro principali esperimenti di fisica delle particelle: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb ed ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Si tratta di enormi apparati costituiti da numerosi rivelatori che utilizzano tecnologie diverse e opereranno intorno al punto in cui i fasci collidono. Nelle collisioni vengono prodotte, grazie alla trasformazione di una parte dell'altissima energia in massa, numerosissime particelle le cui proprietà sono misurate dai rivelatori.

Tra gli scopi principali degli studi sarà cercare fra queste particelle tracce dell'esistenza del bosone di Higgs e di nuove particelle.

Il programma scientifico di LHC prevede anche la collisione tra ioni pesanti. Nel mese di novembre 2010 sono avvenute le prime collisioni fra nuclei di piombo.

[modifica] Finalità scientifiche

Sezione di un magnete superconduttore di LHC.

I fisici di tutto il mondo si propongono di utilizzare LHC per avere risposte a varie questioni che reputano fondamentali per il proseguimento dell'indagine fisica.

[modifica] Esperimenti al LHC

Il rivelatore CMS ad LHC

Il programma scientifico di LHC prevede sei esperimenti, attualmente per gran parte installati e nella fase finale di collaudo. I due esperimenti più grandi sono ATLAS[9] (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS[10] (Compact Muon Solenoid) che sono rivelatori di enormi dimensioni ed avanzata tecnologia realizzati da collaborazioni internazionali comprendenti oltre 2000 fisici. L'esperimento LHCb è invece progettato per studiare la fisica dei mesoni B, mentre ALICE[11] è ottimizzato per lo studio delle collisioni tra ioni pesanti. I due rivelatori più piccoli sono TOTEM[12] e LHCf[13], specializzati per studiare le collisioni che producono particelle a piccolo angolo rispetto alla direzione dei fasci.

Il primo fascio di protoni è circolato nell'acceleratore il 10 settembre 2008 in mattinata.[14] Le particelle sono state sparate nell'acceleratore in senso orario alle 10:28 locali[15] e successivamente è stato sparato in senso antiorario un fascio di protoni arrivato a destinazione alle 14:59.

Le prime "modeste" collisioni ad alta energia di 900 GeV sarebbero dovute avvenire nei primi giorni della settimana del 22 settembre 2008. A partire dal 12 ottobre 2008, prima dell'inaugurazione ufficiale (il 21 ottobre 2008), il LHC avrebbe già dovuto operare ad un'energia di 1 TeV[16] e nel 2009 avrebbe dovuto raggiungere l'energia di 7 TeV. I tempi si sono però piuttosto dilatati, poiché il 19 settembre 2008 si è verificato un guasto, che ha tenuto fermo l'acceleratore per vari mesi.[17].

[modifica] Stato dei lavori

Tabella tempistica
Data Evento
10 settembre 2008 Viene fatto passare a regimi minimi il primo protone all'interno del circuito.
19 settembre 2008 Un super-conduttore si danneggia causando la perdita di 6 tonnellate di elio liquido.
30 settembre 2008 La prima collisione prevista, a regimi medio-bassi, viene rimandata a causa del perdurare di problemi tecnici.
16 ottobre 2008 Viene rilasciata una prima analisi dell'incidente al super-conduttore.
21 ottobre 2008 Inaugurazione ufficiale.
5 dicembre 2008 Il CERN rilascia altre analisi dettagliate.
21 novembre 2009 LHC è stato riacceso a un'energia di 2,36 TeV (1,18 TeV per fascio).
23 novembre 2009 Prime collisioni con energia nel centro di massa di 900 GeV (450 GeV+450 GeV).
30 novembre 2009 Raggiunti livelli di energia di 2,36 TeV nel centro di massa (nuovo record mondiale).
8 dicembre 2009 Per la prima volta osservate collisioni fra protoni con tutti gli apparati di rivelazione funzionanti a 2,36 TeV nel centro di massa.
19 marzo 2010 Per la prima volta i due fasci di particelle raggiungono ciascuno i 3.5 TeV ma senza che i protoni vengano fatti collidere.
30 marzo 2010 Prime collisioni protone-protone a 7 TeV nel centro di massa: La macchina supera nuovamente il record mondiale già ottenuto da LHC nel novembre 2009.
30 giugno 2010 Ottenuto il nuovo record di luminosità istantanea di 8x1029 cm-2s-1, con tre bunch (pacchetti di protoni) per fascio ad alta intensità.
14 luglio 2010 Ottenuta la luminosità record per LHC di 1030 collisioni per secondo per centimetro quadrato.
20 agosto 2010 Raggiunto un nuovo record di luminosità istantanea: 6,5 x 1030.
23 agosto 2010 Raggiunta la luminosità di 1031, con 48 pacchetti di protoni (bunch) alla volta con una densità singola arrivata a 5.000 miliardi di protoni.
14 ottobre 2010 Raggiunta la luminosità di 1032.
4 novembre 2010 I primi fasci di ioni di piombo sono stati iniettati nella macchina senza comunque farli collidere.
5 novembre 2010 I fasci di ioni accelerati fino a una energia di 1,38 TeV, un record assoluto.
7 novembre 2010 Prime collisioni di ioni accelerati fino a una energia di 1,38 TeV.
22 aprile 2011 Raggiunta la luminosità di 4.7 x 1032 (nuovo record assoluto).
25 luglio 2011 Registrato un eccesso di eventi nella regione, non ancora esclusa per l’esistenza del bosone di Higgs, tra i 114 e 140 GeV.
22 agosto 2011 Esclusa l'esistenza dell'Higgs su gran parte della regione di massa compresa tra 145 e 466 GeV con una certezza del 95 per cento.
25 novembre 2011 Esclusa l'esistenza dell'Higgs su gran parte della regione di massa compresa tra 141 e 476 GeV con una certezza superiore al 95 per cento.
13 dicembre 2011 Resi noti risultati che indicano un eccesso di eventi nell’intervallo di massa intorno a 125 GeV.
27 dicembre 2011 Annunciata la scoperta della particella Chi_b (3P) composta da un quark beauty e dal suo antiquark.
7 febbraio 2012 Resi noti ulteriori risultati degli esperimenti ATLAS e CMS che indicano una finestra energetica per l'eventuale bosone di Higgs fra i 124 GeV e i 126 GeV.
13 febbraio 2012 Resa nota la decisione di aumentare l'energia di ciascun fascio, per il 2012, da 3,5 TeV a 4 TeV.

[modifica] Risultati

A seguito dell'analisi delle 284 collisioni a 900 GeV, osservate nell'esperimento ALICE il 23 novembre 2009, gli scienziati del LHC hanno pubblicato le prime misure di densità della pseudorapidità η delle particelle cariche primarie. Nell'intervallo |η|<0,5 gli scienziati hanno ottenuto i seguenti valori:

Tipo di interazioni dNch/dη Incertezza
statistica		 Incertezza
sistematica
anelastiche 3,10 ±0,13 ±0,22
diffrattive non-singole 3,51 ±0,15 ±0,25

Questi risultati sono compatibili con le precedenti misurazioni per le interazioni protone–antiprotone alla stessa energia nel centro di massa ottenute col collisore CERN Spp̅S[18].

Per la prima volta è stata osservato direttamente il jet quenching, analizzando le collisioni fra ioni di piombo osservate dall'esperimento ATLAS nel mese di novembre 2010. Questa asimmetria potrebbe derivare dalla formazione di plasma di quark e gluoni, che interferisce con i getti di particelle che lo attraversano.

[modifica] Rischi legati al LHC

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Rischi legati all'impiego del LHC.

Secondo alcuni il Large Hadron Collider potrebbe causare la distruzione della Terra[19][20][21]. Secondo questi il CERN potrebbe:

Altri, comunque, non sono d'accordo con la valutazione dei rischi del CERN e temono che sussistano pericoli reali.

Walter Wagner e Luis Sancho, nel marzo 2008, citarono 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, nel tentativo di impedire l'entrata in funzione del LHC,[23]ma persero la causa. In seguito, nel settembre 2008, un gruppo di ricercatori, con a capo Markus Goritschnig, si è rivolto alla Corte Europea dei diritti dell'uomo per fermare l'esperimento, in quanto potrebbe produrre un pericoloso buco nero, ma la Corte Europea ha respinto la richiesta[24], in quanto secondo gli scienziati del CERN gli scenari proposti sono "altamente improbabili"[25].

Il 20 giugno 2008, l'LHC Safety Assessment Group (LSAG), il team che si occupa della valutazione di rischio per l'LHC, ha rilasciato un nuovo rapporto sulla sicurezza, che va ad aggiornare quello del 2003[26], nel quale riafferma ed estende le precedenti conclusioni riguardo al fatto che "le collisioni provocate dal LHC non presentano alcun pericolo e non vi è motivo di preoccupazione".[27][28][29] Il rapporto del LSAG è stato quindi revisionato e vagliato dal CERN’s Scientific Policy Committee,[30], un gruppo di scienziati esterni che offre consulenza al CERN.[27][31][32] Il 5 settembre 2008, il documento del LSAG, "Review of the safety of LHC collisions", è stato pubblicato sul Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics .[33]

In questo lavoro, quelli del LSAG ammettono che alcuni mini buchi neri prodotti dal LHC potrebbero, a differenza di quelli prodotti dai raggi cosmici, avere una velocità inferiore alla velocità di fuga terrestre, ma sostengono comunque che LHC è sicuro, estendendo l'analogia dei raggi cosmici non solo alla Terra, ma anche agli altri corpi celesti. Infatti nell'universo esistono corpi molto densi, come le stelle di neutroni, che hanno una velocità di fuga talmente elevata da intrappolare anche i mini buchi neri prodotti dai raggi cosmici; l'elevata vita media di una stella di neutroni, che viene continuamente bombardata dai raggi cosmici, smentisce la pericolosità dei mini buchi neri prodotti dai raggi cosmici, e dunque, per analogia, anche di quelli prodotti dal LHC.

Va detto inoltre che la tesi di Otto Rössler (che, sulla base di una teoria obsoleta rivelatesi errata[34], sostiene che i buchi neri non possono emettere radiazione di Hawking perché sono infinitamente lontani e grandi), secondo il parere del CERN si contraddice da sola:[35]

(EN)
« How can something that is infinitely far away (and also something that is infinitely large) be created in a finite amount of time, and have an effect on us? Should Rössler not conclude in the same way that Black Holes cannot be created in the first place? But what about astronomical data showing signatures of black holes, e.g. in the center of our galaxy? »
 (IT)
« Come può una cosa infinitamente lontana (e infinitamente grande) essere creata in una quantità finita di tempo, e avere un effetto su di noi? Rössler non dovrebbe concludere allo stesso modo che i buchi neri, in primo luogo, non possono essere creati? E i dati astronomici che mostrano tracce di buchi neri, per esempio al centro della nostra galassia? »
(Domenico Giulini e Hermann Nicolai)

[modifica] Nella cultura popolare

Il Large Hadron Collider viene menzionato in Angeli e demoni di Dan Brown, in cui l'antimateria creata al LHC viene usata come arma contro il Vaticano. Il CERN pubblicò una pagina Verità o Finzione? in cui si discuteva sull'accuratezza del libro per quanto riguarda LHC, CERN, e la fisica delle particelle in generale.[36] Alcune scene della versione cinematografica del romanzo sono state girate al LHC; il regista Ron Howard ha incontrato esperti del CERN nel tentativo di rendere più accurati i riferimenti scientifici presenti nel film.[37]

Nel romanzo di fantascienza Avanti Nel Tempo (titolo originale Flashforward, 1999), di Robert J.Sawyer, da cui è stata tratta la serie televisiva statunitense del 2009/2010 Flashforward, gli esperimenti dell'LHC provocano il 'Cronolampo' (nella serie TV chiamato 'Blackout') che causa una dislocazione temporale collettiva delle coscienze, a causa della quale tutta l'umanità 'sviene' per circa 2 minuti (causando numerosi incidenti e vittime), durante i quali (quasi) ogni persona ha una visione della propria vita 30 anni nel futuro, precisamente tutti (o quasi) vedono un episodio della propria vita che accadrà il 23 ottobre 2030 (nella serie TV, il 29 aprile 2010).

BBC Radio 4 commemorò l'accensione del LHC il 10 settembre 2008 con un "Big Bang Day".[38] Venne incluso in questo evento un episodio radio della serie Torchwood, con una trama riguardante LHC, intitolato Lost Souls.[39]

Anche il romanzo L'energia del vuoto di Bruno Arpaia cita, nella trama, LHC.

[modifica] Divulgazione

  • Sul sito web del CERN è stata messa a disposizione in 1589 pagine e 115 megabyte la documentazione completa[40] riguardo agli esperimenti e all'intera struttura dell'anello e dei rilevatori posizionati al suo interno.
  • Sempre sul sito del CERN è possibile aggiornarsi sullo stato dell'arte del progetto[41][42]
  • Su YouTube alcuni scienziati del CERN appassionati di musica hanno divulgato, in via del tutto informale, un video rap[43] che spiega in maniera semplice e divertente il funzionamento dell'acceleratore e il suo scopo.
  • L'evento del 10 settembre 2008 è stato trasmesso in diretta via Internet dal Live Webcast del CERN[44] e diffuso attraverso molti network europei.
  • L'Imperial College di Londra ha messo a disposizione un sito per monitorare in tempo reale[45] l'utilizzo della LCG (Worldwide LHC Computing Grid), la griglia di elaboratori usata per la composizione e analisi dei dati provenienti dagli esperimenti del LHC.

[modifica] Note

  1. ^ a b (EN) CERN, Comunicato stampa, 10 settembre 2008 First beam in the LHC - accelerating science
  2. ^ È una temperatura più fredda di quella dello spazio cosmico, la cui radiazione di fondo ha una temperatura di 2,726 K. Vedi anche il documento del CERN.
  3. ^ Comunicato stampa del CERN del 20 giugno 2003
  4. ^ Minute del 43º meeting dell LHC Commissioning Working Group, 8 aprile 2008.
  5. ^ Bollettino del CERN del 31 marzo 2008.
  6. ^ Il ritardo è in parte dovuto ad un inconveniente tecnico avvenuto durante la costruzione il 6 aprile 2007.
  7. ^ (EN, FR) CERN releases analysis of LHC incident. URL consultato il 12 aprile 2010.
  8. ^ (EN, FR) The LHC is back. URL consultato il 12 aprile 2010.
  9. ^ Vedi anche il sito web di ATLAS.
  10. ^ Vedi anche il sito web di CMS.
  11. ^ The ALICE experiment
  12. ^ Vedi anche il sito dell'esperimento TOTEM.
  13. ^ Vedi anche la pagina LHCf del CERN.
  14. ^ Success for 'Big Bang' experiment. BBC
  15. ^ First beam in the LHC - accelerating science. CERN. URL consultato il 10 settembre 2008.
  16. ^ Henderson, Mark (18 September 2008) "‘Big bang machine’ is back on collision course after its glitches are fixed". Times Online.
  17. ^ http://user.web.cern.ch/user/news/2009/090716.html
  18. ^ (gennaio 2010). First proton–proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement of the charged-particle pseudorapidity density at sqrt(s) = 900 GeV. The European Physical Journal C - Particles and Fields 65 (1-2): 111-125  (in (EN)). DOI:10.1140/epjc/s10052-009-1227-4. URL consultato il 9 aprile 2010.
  19. ^ France builds doomsday machine
  20. ^ Risk evaluation forum.org
  21. ^ lhcdefense.org
  22. ^ Dimopoulos, S. and Landsberg, G. Black Holes at the Large Hadron Collider. Phys. Rev. Lett. 87 (2001).
  23. ^ «Denunciato l'Lhc di Ginevra: «rischio Apocalisse» Il Cern: «L'allarme non sostenuto dai dati»». Il Messaggero, 29 marzo 2008. URL consultato in data 30 marzo 2008.
  24. ^ Repubblica.it
  25. ^ [www.trekportal.it/coelestis/showthread.php?t=19319&page=4 Coelestis]
  26. ^ Si veda il report del CERN e la presentazione di Michelangelo Mangano.
  27. ^ a b (EN)"The safety of the LHC". CERN 2008 (CERN website).
  28. ^ (EN)Ellis J, Giudice G, Mangano ML, Tkachev I, Wiedemann U (LHC Safety Assessment Group) (20 June 2008). Review of the Safety of LHC Collisions. CERN record. arXiv:0806.3414.
  29. ^ (EN)Ellis J, Giudice G, Mangano ML, Tkachev I, Wiedemann U (LHC Safety Assessment Group) (20 June 2008). Review of the Safety of LHC Collisions: Addendum on Strangelets.
  30. ^ (EN)CERN Scientific Policy Committee (2008). SPC Report on LSAG Documents. CERN record.
  31. ^ (EN)Overbye, Dennis. (21 June 2008). "Earth Will Survive After All, Physicists Say". The New York Times.
  32. ^ (EN)"CERN Council looks forward to LHC start-up". PR05.08 (20 June 2008). CERN 2008.
  33. ^ (EN) Ellis J, Giudice G, Mangano ML, Tkachev I, Wiedemann U (LHC Safety Assessment Group) (5 September 2008). "Review of the safety of LHC collisions ". ''Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 35, 115004 (18pp). doi:10.1088/0954-3899/35/11/115004. CERN record. arXiv:0806.3414.
  34. ^ [1]
  35. ^ [2]
  36. ^ Angels and Demons. CERN. URL consultato il 16 luglio 2008.
  37. ^ Ceri Perkins. ATLAS gets the Hollywood treatment in ATLAS e-News. CERN. URL consultato il 16 luglio 2008.
  38. ^ BBC - Radio 4 - Big Bang Day. BBC, 10 settembre 2008. URL consultato il 11 settembre 2008.
  39. ^ Programming for Big Bang Day on BBC Radio 4. BBC Press Office. URL consultato il 11 agosto 2008.
    Radio 4 - Big Bang Day. BBC. URL consultato il 10 settembre 2008.
    Paul Donovan. «The BBC has Big Bang to rights». The Sunday Times, 7 settembre 2008. URL consultato in data 11 settembre 2008.
  40. ^ The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments.
  41. ^ LHC News.
  42. ^ LHC First Beam.
  43. ^ Large Hadron Rap (YouTube video).
  44. ^ CERN Live Webcast.
  45. ^ GridPP Real Time Monitor @ ic.ac.uk )

[modifica] Voci correlate

[modifica] Esperimenti presso LHC

[modifica] Altri progetti

[modifica] Collegamenti esterni

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