Large Hadron Collider

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

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

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

L'LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente finora realizzato. Può accelerare adroni (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 8 teraelettronvolt (si prevede che agli inizi del 2015 tale energia possa avvicinarsi a 14 teraelettronvolt, che è il limite teorico della macchina). Simili livelli di energia non erano mai stati raggiunti 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.

Il Large Hadron Collider con i suoi punti sperimentali e i pre-acceleratori. I fasci di protoni e ioni pesanti di piombo iniziano il percorso agli acceleratori lineari (in figura p e Pb). Continuano il loro cammino nel Proton Synchrotron (PS), nel Super Proton Synchrotron (SPS) e giungono nell'anello esterno di 27 km di circonferenza. Durante il percorso si trovano i quattro punti sperimentali in cui i fasci vengono fatti collidere: ATLAS, CMS, LHCb, ALICE

I componenti più importanti dell'LHC sono gli oltre 1600 magneti superconduttori in lega di niobio e titanio 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.

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 (LHC-beauty) ed ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Si tratta di enormi apparati costituiti da numerosi rivelatori che utilizzano tecnologie diverse e operano 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 vengono misurate dai rivelatori.

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 sono state fermate a causa di un serio incidente che ha provocato 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] L'incidente è stato dettagliatamente discusso in un articolo del 2010 dal fisico Lucio Rossi, responsabile dei magneti superconduttori.[9]

Tra gli scopi principali degli studi vi è la ricerca di tracce dell'esistenza 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.

È stato inoltre avviato un progetto di miglioramento delle prestazioni, tramite un complesso di interventi tale da permettere un fascio di particelle più nutrito e concentrato, che si prevede possa incrementare di un fattore dieci la luminosità della macchina, parametro legato al numero di collisioni per unità di tempo (High Luminosity LHC Project); responsabile del progetto è il fisico italiano Lucio Rossi[10].

Finalità scientifiche[modifica | modifica sorgente]

Sezione di un magnete superconduttore di LHC.

Dopo la dimostrazione dell'esistenza del bosone di Higgs, particella prevista nel Modello standard per dare origine alle masse delle particelle, 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[11]:

  • Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del plasma di quark e gluoni si verificherà l'origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo?
  • Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs?
  • Secondo alcune teorie il 95% della massa dell'universo è costituito da materia diversa da quella ordinaria. Di che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e l'energia oscura?
  • Esistono le particelle supersimmetriche (SUSY)?
  • Esistono altre dimensioni oltre alle tre spaziali e quella temporale, come previste da vari modelli di teoria delle stringhe?
  • Quali sono le caratteristiche della violazione di CP che possono spiegare l'asimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi assenza di antimateria nell'universo?
  • Cosa si può conoscere, con maggiore dettaglio, oggetti già noti (come il quark top)?

Esperimenti al LHC[modifica | modifica sorgente]

Il rivelatore CMS ad LHC

Il programma scientifico di LHC prevede sei esperimenti. I due esperimenti più grandi sono ATLAS[12] (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS[13] (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[14] è ottimizzato per lo studio delle collisioni tra ioni pesanti. I due rivelatori più piccoli sono TOTEM[15] e LHCf[16], 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.[17] Le particelle sono state sparate nell'acceleratore in senso orario alle 10:28 locali[18] 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[19] 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.[20].

Stato dei lavori[modifica | modifica sorgente]

Cronistoria
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 sono stati accelerati fino a una energia di 1,38 TeV, nuovo 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 4.67 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 χb(3P) (Chi bottom (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.
30 marzo 2012 Prime collisioni protone-protone con energia nel centro di massa di 8 TeV, nuovo record assoluto.
19 aprile 2012 Raggiunta la luminosità di 3.9 x 1033 collisioni per cm quadrato e per secondo utillzzando 1380 pacchetti per fascio.
27 aprile 2012 Annunciata la scoperta dello stato eccitato della particella Ξb0 (Xi bottom) composta da un quark beauty, uno up ed uno strange.
16 maggio 2012 Annunciata la scoperta di 2 stati eccitati della particella Λb0 (Lambda bottom) composta da un quark beauty, uno up ed uno down.
4 luglio 2012 Annunciata la scoperta di una nuova particella che si presume sia il Bosone di Higgs nella massa di 125.3 ± 0.6 GeV/c2 su 4,9 sigma. I dati analizzati finora sono coerenti con l'Higgs, tuttavia sono in corso ulteriori analisi.
13 settembre 2012 Prime collisioni di protoni con ioni di piombo.

Risultati[modifica | modifica sorgente]

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[21].

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.

Scoperta la particella χb(3P) composta da un quark beauty e dal suo antiquark.

Scoperto lo stato eccitato della particella Ξb0 composta da un quark beauty, uno strange ed uno up.

Scoperti 2 stati eccitati della particella Λb0 composta da un quark beauty, uno down ed uno up.

Scoperta una nuova particella di massa 125-126 GeV compatibile con il Bosone di Higgs del Modello Standard.

Sicurezza delle collisioni di particelle negli esperimenti al LHC[modifica | modifica sorgente]

Secondo alcuni il Large Hadron Collider potrebbe causare la distruzione della Terra[22][23][24]. 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,[26] 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[27], in quanto secondo gli scienziati del CERN gli scenari proposti sono "altamente improbabili".

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[28], 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".[29][30][31] Il rapporto del LSAG è stato quindi revisionato e vagliato dal CERN's Scientific Policy Committee,[32], un gruppo di scienziati esterni che offre consulenza al CERN.[29][33][34] 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 .[35]

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[36], 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:[36]

(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)

Divulgazione[modifica | modifica sorgente]

  • Sul sito web del CERN è stata messa a disposizione in 1589 pagine e 115 megabyte la documentazione completa[37] 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[38][39]
  • Su YouTube alcuni scienziati del CERN appassionati di musica hanno divulgato, in via del tutto informale, un video rap[40] 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[41] e diffuso attraverso molti network europei.
  • L'Imperial College di Londra ha messo a disposizione un sito per monitorare in tempo reale[42] 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.
  • 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.[43] 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.[44]
  • BBC Radio 4 commemorò l'accensione del LHC il 10 settembre 2008 con un "Big Bang Day".[45] Venne incluso in questo evento un episodio radio della serie Torchwood, con una trama riguardante LHC, intitolato Lost Souls.[46]

Note[modifica | modifica sorgente]

  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. ^ (ENFR) CERN releases analysis of LHC incident. URL consultato il 12 aprile 2010.
  8. ^ (ENFR) The LHC is back. URL consultato il 12 aprile 2010.
  9. ^ L. Rossi, Superconductivity: its role, its success and its setbacks in the Large Hadron Collider of CERN in Superconductor Science and Technology, vol. 23, nº 3, 2010, p. 034001, Bibcode:2010SuScT..23c4001R, DOI:10.1088/0953-2048/23/3/034001.
  10. ^ F. Ruggerio, LHC upgrade (accelerator) in 8th ICFA Seminar, 29 September 2005. URL consultato il 2009-09-28.
  11. ^ G. F. Giudice, Odissea nello zeptospazio: un viaggio nella fisica dell'LHC, Springer-Verlag Italia, Milano 2010, ISBN 978-88-470-1630-9.
  12. ^ Vedi anche il sito web di ATLAS.
  13. ^ Vedi anche il sito web di CMS.
  14. ^ The ALICE experiment
  15. ^ Vedi anche il sito dell'esperimento TOTEM.
  16. ^ Vedi anche la pagina LHCf del CERN.
  17. ^ Success for 'Big Bang' experiment, BBC.
  18. ^ First beam in the LHC - accelerating science, CERN. URL consultato il 10 settembre 2008.
  19. ^ Henderson, Mark (18 September 2008) "‘Big bang machine’ is back on collision course after its glitches are fixed". Times Online.
  20. ^ News | CERN users' pages
  21. ^ (EN) 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 in The European Physical Journal C - Particles and Fields, vol. 65, 1-2, gennaio 2010, pp. 111-125, DOI:10.1140/epjc/s10052-009-1227-4. URL consultato il 9 aprile 2010.
    «no».
  22. ^ France builds doomsday machine
  23. ^ Risk evaluation forum.org
  24. ^ lhcdefense.org
  25. ^ Dimopoulos, S. and Landsberg, G. Black Holes at the Large Hadron Collider. Phys. Rev. Lett. 87 (2001).
  26. ^ Denunciato l'Lhc di Ginevra: «rischio Apocalisse» Il Cern: «L'allarme non sostenuto dai dati» in Il Messaggero, 29 marzo 2008. URL consultato il 30 marzo 2008.
  27. ^ Repubblica.it
  28. ^ Si veda il report del CERN e la presentazione di Michelangelo Mangano.
  29. ^ a b (EN) "The safety of the LHC". CERN 2008 (CERN website).
  30. ^ (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.
  31. ^ (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.
  32. ^ (EN) CERN Scientific Policy Committee (2008). SPC Report on LSAG Documents. CERN record.
  33. ^ (EN) Overbye, Dennis. (21 June 2008). "Earth Will Survive After All, Physicists Say". The New York Times.
  34. ^ (EN) "CERN Council looks forward to LHC start-up". PR05.08 (20 June 2008). CERN 2008.
  35. ^ (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.
  36. ^ a b http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/NicolaiFurtherComment-en.pdf
  37. ^ The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments.
  38. ^ LHC News.
  39. ^ LHC First Beam.
  40. ^ Large Hadron Rap (YouTube video).
  41. ^ CERN Live Webcast.
  42. ^ GridPP Real Time Monitor @ ic.ac.uk
  43. ^ Angels and Demons, CERN. URL consultato il 16 luglio 2008.
  44. ^ Ceri Perkins, ATLAS gets the Hollywood treatment in ATLAS e-News, CERN. URL consultato il 16 luglio 2008.
  45. ^ BBC - Radio 4 - Big Bang Day, BBC, 10 settembre 2008. URL consultato l'11 settembre 2008.
  46. ^ Programming for Big Bang Day on BBC Radio 4, BBC Press Office. URL consultato l'11 agosto 2008.
    Radio 4 - Big Bang Day, BBC. URL consultato il 10 settembre 2008.
    Paul Donovan, The BBC has Big Bang to rights in The Sunday Times, 7 settembre 2008. URL consultato l'11 settembre 2008.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Esperimenti presso LHC[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]