Il grande Hadron Collider: tutto ciò che devi sapere

Il Large Hadron Collider (LHC) è il più grande e potente acceleratore di particelle al mondo. Si trova presso il laboratorio europeo di fisica delle particelle CERN, in Svizzera.

L'LHC è stato riavviato il 22 aprile 2022, dopo tre anni di lavori di manutenzione e aggiornamenti. La corsa 3 dovrebbe iniziare il 5 luglio, un giorno dopo il decimo anniversario della scoperta del bosone di Higgs.

Gli scienziati utilizzano l'LHC per testare le previsioni teoriche nella fisica delle particelle, in particolare quelle associate al "modello standard". Mentre il Modello Standard può spiegare quasi tutti i risultati della fisica delle particelle, ci sono alcune domande senza risposta, come che cos'è la materia oscura e l'energia oscura? Perché c'è più materia dell'antimateria? L'LHC è progettato per aiutare a rispondere a tali domande.

L'LHC può riprodurre le condizioni che esistevano entro un miliardesimo di secondo dal Big Bang. Il colossale acceleratore consente agli scienziati di far scontrare particelle subatomiche ad alta energia in un ambiente controllato e di osservare le interazioni. Una delle scoperte più significative di LHC è arrivata nel 2012 con la scoperta del bosone di Higgs.

Se vedi un titolo di notizie su nuove particelle subatomiche esotiche, è probabile che la scoperta sia stata fatta al CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, con sede vicino a Ginevra in Svizzera.

Un esempio recente si è verificato nel gennaio 2022, quando gli scienziati del CERN hanno annunciato "prove di particelle X (si apre in una nuova scheda) nel plasma di quark-gluoni prodotto nel Large Hadron Collider". Dietro quel linguaggio tecnico si nasconde il fatto strabiliante che il CERN è riuscito a ricreare una situazione che non si verificava naturalmente da pochi microsecondi dopo il Big Bang.

Quando Run 3 inizierà, possiamo aspettarci una nuova ondata di scoperte, quindi è un buon momento per dare un'occhiata più da vicino a ciò che rende l'LHC e il resto del CERN così unici.

Cos'è il Large Hadron Collider?

L'LHC è un acceleratore di particelle, un dispositivo che spinge le particelle subatomiche a enormi energie in modo controllato in modo che gli scienziati possano studiare le interazioni risultanti, secondo la scheda informativa LHC del CERN (si apre in una nuova scheda). Il "grande" che sta per L è un eufemismo; l'LHC è di gran lunga il più grande acceleratore al mondo in questo momento, occupando un tunnel circolare di quasi 27 chilometri di circonferenza. La lettera centrale, H, sta per 'adron', il nome generico per particelle LHC composite come i protoni che sono costituiti da particelle più piccole chiamate quark. Infine, la C sta per "collider", l'LHC accelera due fasci di particelle in direzioni opposte e tutta l'azione ha luogo quando i fasci si scontrano.

Come tutti gli esperimenti di fisica, l'LHC mira a testare le previsioni teoriche in questo caso, il cosiddetto Modello Standard della fisica delle particelle e vedere se ci sono dei buchi in esse. Per quanto strano possa sembrare, i fisici non vedono l'ora di trovare qualche buco nel Modello Standard perché ci sono alcune cose, come la materia oscura e l'energia oscura, che non possono essere spiegate finché non lo fanno.

Scoperte e storia del Large Hadron Collider

L'LHC frantuma le particelle insieme ad alta velocità, creando una cascata di nuove particelle, incluso il famigerato bosone di Higgs. (Credito immagine: Ket4up tramite Getty Images) (si apre in una nuova scheda)

Il momento più importante dell'LHC è arrivato nel 2012 con la scoperta del bosone di Higgs. Sebbene sia ampiamente indicata come la "particella di Dio", non è davvero così fantastica di per sé come potrebbe suggerire quel nome. Il suo enorme significato derivava dal fatto che era l'ultima previsione del Modello Standard che non era stata ancora dimostrata. Ma il bosone di Higgs è ben lungi dall'essere l'unica scoperta dell'LHC.

Secondo la rivista di fisica CERN Courier (si apre in una nuova scheda), LHC ha anche trovato circa 60 adroni precedentemente sconosciuti, che sono particelle complesse composte da varie combinazioni di quark. Anche così, tutte quelle nuove particelle si trovano ancora entro i limiti del Modello Standard, che l'LHC ha faticato a superare (si apre in una nuova scheda), con grande disappunto dei numerosi scienziati che hanno trascorso la loro carriera lavorando su teorie alternative.

I primi accenni allettanti che una svolta potrebbe essere dietro l'angolo sono arrivati ​​nel 2021, quando l'analisi dei dati di LHC ha rivelato modelli di comportamento (si apre in una nuova scheda) che indicavano piccoli ma definitivi scostamenti dal Modello Standard.

Secondo il CERN, l'LHC è stato aperto nel 2009, ma la storia del CERN risale a molto più indietro di così. L'organizzazione è stata fondata nel 1954 (si apre in una nuova scheda) su raccomandazione del Consiglio europeo per la ricerca nucleare o Conseil Europen pour la Recherche Nuclaire in francese, da cui prende il nome. Tra la sua creazione e l'apertura dell'LHC, il CERN è stato responsabile di una serie di scoperte rivoluzionarie, tra cui deboli correnti neutre, neutrini leggeri e bosoni W e Z. Non appena l'LHC sarà di nuovo operativo, possiamo aspettarci che le scoperte continueranno.

Corsa 3: cosa aspettarsi

Come suggerisce il nome, Run 3 è la terza corsa scientifica di LHC e inizierà il 5 luglio 2022. Si baserà sulle scoperte di LHC fatte durante la sua Run 1 (2009-2013) e Run 2 (dal 2015 al 2018) e si esibirà esperimenti fino al 2024.

Sul precipizio della nuova fisica, gli scienziati sono desiderosi di utilizzare i nuovi aggiornamenti di LHC per studiare il bosone di Higgs, esplorare la materia oscura e potenzialmente espandere la nostra comprensione del modello standard, la teoria principale che descrive tutte le forze fondamentali conosciute e le particelle elementari nel universo.

Con i nuovi aggiornamenti, il CERN ha aumentato la potenza degli iniettori dell'LHC, che alimentano fasci di particelle accelerate nel collisore. Al momento del precedente spegnimento nel 2018, il collisore potrebbe accelerare i raggi fino a un'energia di 6,5 teraelettronvolt e quel valore è stato portato a 6,8 teraelettronvolt, secondo una dichiarazione del CERN (si apre in una nuova scheda).

Per riferimento, un singolo teraelettronvolt equivale a 1 trilione di elettronvolt (un elettronvolt, un'unità di energia, equivale al lavoro svolto su un elettrone che accelera attraverso il potenziale di un volt.)

Per aumentare l'energia dei fasci di protoni a un livello così estremo, "le migliaia di magneti superconduttori, i cui campi dirigono i fasci attorno alla loro traiettoria, devono abituarsi a correnti molto più forti dopo un lungo periodo di inattività durante LS2 (si apre a nuove tab)", si legge nella stessa dichiarazione del CERN. L'aggiornamento delle apparecchiature in questo aggiornamento è un processo che il CERN chiama "addestramento del magnete" e che si compone di circa 12.000 test individuali.

Con i magneti di LHC "addestrati" e i raggi di protoni più potenti che mai, l'LHC sarà in grado di creare collisioni a energie più elevate che mai, ampliando le possibilità di ciò che gli scienziati che utilizzano l'attrezzatura aggiornata potrebbero trovare.

Una volta che Run 3 si concluderà nel 2024, gli scienziati del CERN lo chiuderanno per un'altra revisione pianificata che includerà più aggiornamenti per l'enorme acceleratore di particelle. Una volta completati, questi aggiornamenti consentiranno agli scienziati di rinominare LHC "High Luminosity Large Hadron Collider" una volta riaperto nel 2028.

Come funziona il Large Hadron Collider?

Il Compact Muon Solenoid (CMS) qui raffigurato può catturare immagini di particelle fino a 40 milioni di volte al secondo. (Credito immagine: xenotar tramite Getty Images) (si apre in una nuova scheda)

Per quanto enorme sia, l'LHC non può funzionare senza l'aiuto di altre macchine che lo circondano. Prima che le particelle, che di solito sono protoni ma per alcuni esperimenti sono ioni di piombo molto più pesanti, vengano iniettate al suo interno, vengono fatte passare attraverso una catena di acceleratori più piccoli che aumentano progressivamente la loro velocità, secondo un rapporto del CERN LHC (si apre in una nuova scheda) . Più piccolo è solo un termine relativo; l'ultimo passo nella catena degli iniettori, il Super Proton Synchrotron, ha una circonferenza di quasi 4,3 miglia (6,9 km). Il risultato sono due fasci che viaggiano in direzioni opposte attorno all'LHC praticamente alla velocità della luce, secondo il CERN (si apre in una nuova scheda).

I fasci sono mantenuti sulle loro traiettorie circolari da un forte campo magnetico, che ha l'effetto di piegare il percorso delle particelle caricate elettricamente. In quattro punti attorno al vasto anello dell'LHC, i raggi opposti vengono riuniti e fatti scontrare, ed è qui che avviene tutta la scienza.

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Le particelle vengono frantumate insieme con energie così enormi che le collisioni creano una cascata di nuove particelle, la maggior parte delle quali di durata estremamente breve. La cosa importante per gli scienziati è capire cosa sono tutte queste particelle e non è un compito facile.

L'LHC ha una serie di sofisticati rivelatori di particelle (si apre in una nuova scheda) per questo scopo, ciascuno composto da strati di sottorivelatori progettati per misurare determinate proprietà delle particelle o per cercare tipi specifici di particelle. Ad esempio, i calorimetri misurano l'energia di una particella, mentre la traccia curva di una particella in un campo magnetico rivela informazioni sulla sua carica elettrica e sulla sua quantità di moto.

Due dei quattro punti di collisione attorno alla circonferenza dell'LHC sono occupati da grandi rivelatori generici. Questi includono il Compact Muon Solenoid (CMS) (si apre in una nuova scheda), che può essere considerato come una gigantesca fotocamera 3D, che scatta immagini di particelle fino a 40 milioni di volte al secondo.

I percorsi delle particelle all'interno del rivelatore sono controllati da un gigantesco elettromagnete chiamato solenoide. Nonostante pesi 12.500 tonnellate, è abbastanza compatto, come suggerisce il nome del rivelatore. Quella parola di mezzo, muone, si riferisce a una particella sfuggente simile all'elettrone ma molto più massiccia, che richiede la sua serie di sottorivelatori avvolti attorno al solenoide.

L'altro rivelatore per uso generico dell'LHC, ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) (si apre in una nuova scheda), ha uno scopo identico al CMS ma differisce nel design del suo rilevamento, sottosistemi e magneti. È anche meno compatto del CMS, occupando un volume maggiore di qualsiasi altro rilevatore di particelle mai costruito.

Esperimenti del Large Hadron Collider

Il rivelatore ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) è uno dei rivelatori generici di LHC. (Credito immagine: xenotar tramite Getty Images) (si apre in una nuova scheda)

Molti degli esperimenti più importanti dell'LHC, inclusa la scoperta del bosone di Higgs, utilizzano i rivelatori generici ATLAS e CMS. Ma ha anche molti altri rivelatori più specializzati che possono essere utilizzati in tipi specifici di esperimenti.

Il rilevatore LHC forward (LHCf) (si apre in una nuova scheda), situato vicino al punto di interazione ATLAS, utilizza le particelle lanciate in avanti nelle collisioni come mezzo per simulare i raggi cosmici in condizioni di laboratorio. Inoltre, lungo la traiettoria del raggio c'è il Forward Search Experiment (FASER) (si apre in una nuova scheda), progettato per cercare particelle leggere, che interagiscono debolmente, che potrebbero sfuggire ai rivelatori più grandi.

Un terzo esperimento ottimizzato per la direzione in avanti è la misurazione della sezione trasversale elastica e diffrattiva totale (TOTEM) (si apre in una nuova scheda), situata vicino al punto di interazione del CMS, che si concentra sulla fisica degli stessi protoni ad alta energia.

Oltre ad ATLAS e CMS, LHC ha altri due punti di interazione. Uno è occupato da A Large Ion Collider Experiment (ALICE) (si apre in una nuova scheda), un rivelatore specializzato per la fisica degli ioni pesanti. Il punto di interazione finale ospita due esperimenti all'avanguardia della fisica: LHCb (si apre in una nuova scheda), dedicato alla fisica dell'esotico "quark della bellezza", e MoEDAL the Monopole and Exotics Detector (si apre in una nuova scheda) all'LHC.

LHC e il bosone di Higgs

Secondo il CERN, quando i fisici escogitano nuove teorie, cercano sempre di assicurarsi che possano essere testate sperimentalmente. Ciò accadde all'inizio degli anni '60 quando Peter Higgs e altri svilupparono una teoria per spiegare perché alcune particelle portatrici di forza hanno una massa diversa da zero.

La teoria prevedeva l'esistenza di una particella precedentemente insospettata, soprannominata il bosone di Higgs. Il passo successivo è stato trovare il bosone di Higgs e quindi convalidare la teoria. Per quanto semplice possa sembrare, ha portato a una caccia decennale in tutto il mondo. La fine è finalmente arrivata nel 2012, quando i dati dell'LHC in particolare, da una combinazione di misurazioni ATLAS e CMS hanno dimostrato senza dubbio che il bosone di Higgs era stato scoperto.

I tanti esperimenti del CERN

Gli scienziati stanno ancora cercando di capire perché l'universo contiene più materia che antimateria. (Credito immagine: sakkmesterke tramite Getty Images) (si apre in una nuova scheda)

Uno dei misteri chiave dell'universo è la sorprendente asimmetria tra materia e antimateria perché contiene molto più della prima che della seconda. Secondo la teoria del Big Bang, l'universo deve essere iniziato con la stessa quantità di entrambi. Eppure molto presto, probabilmente entro il primo secondo, praticamente tutta l'antimateria era scomparsa, ed era rimasta solo la normale materia che vediamo oggi. A questa asimmetria è stato dato il nome tecnico "violazione CP" e studiarla è uno degli obiettivi principali dell'esperimento LHCb del Large Hadron Collider.

Tutti gli adroni sono costituiti da quark, ma LHCb è progettato per rilevare particelle che includono un tipo particolarmente raro di quark noto come "bellezza". Lo studio della violazione di CP nelle particelle contenenti bellezza è uno dei modi più promettenti per far luce sull'emergere dell'asimmetria materia-antimateria nell'universo primordiale.

Caccia a particelle esotiche

Condividendo la stessa caverna sotterranea di LHCb c'è uno strumento più piccolo chiamato MoEDAL, che sta per "Monopole and Exotics Detector at the LHC". Mentre la maggior parte degli esperimenti del CERN sono progettati per studiare le particelle conosciute, questo mira a scoprire quelle finora sconosciute che si trovano al di fuori del presente Modello Standard. Un monopolo, ad esempio, sarebbe una particella magnetizzata costituita solo da un polo nord senza uno sud, o viceversa. Tali particelle sono state a lungo ipotizzate, ma mai osservate.

Lo scopo di MoEDAL è di cercare eventuali monopoli che potrebbero essere creati in collisioni all'interno dell'LHC. Potrebbe anche potenzialmente rilevare alcune "particelle massicce stabili" che sono previste da teorie oltre il Modello Standard. Se riesce a trovare una di queste particelle, MoEDAL potrebbe aiutare a risolvere questioni fondamentali come l'esistenza di altre dimensioni o la natura della materia oscura.

Scienza del clima

Oltre all'LHC, ci sono altre strutture del CERN che stanno facendo ricerche altrettanto importanti. Collegare la fisica delle particelle alla scienza del clima potrebbe non essere un passo ovvio, eppure è quello che sta facendo un esperimento al Proton Synchrotron del CERN. Questo è un acceleratore più piccolo e meno sofisticato dell'LHC, ma è comunque in grado di svolgere un lavoro utile.

L'esperimento sul clima si chiama CLOUD, che dà un forte indizio di cosa si tratta, anche se il nome sta per Cosmics Leaving Outdoor Droplets (si apre in una nuova scheda). La Terra è costantemente bombardata dai raggi cosmici ed è stato teorizzato che questi giochino un ruolo nella formazione delle nubi seminando minuscole goccioline d'acqua. Non è un processo facile da studiare nell'atmosfera reale con i veri raggi cosmici, quindi il CERN sta creando i propri raggi cosmici con l'acceleratore. Questi vengono poi sparati in un'atmosfera artificiale, dove i loro effetti possono essere studiati molto più da vicino.

Fare antimateria

L'antimateria spesso compare all'interno degli acceleratori ad alta energia del CERN, come metà di una coppia particella-antiparticella. Ma nel normale corso degli eventi, le antiparticelle non durano molto prima di essere annientate in collisioni con particelle ordinarie.

Se vuoi creare antimateria che rimanga abbastanza a lungo per uno studio dettagliato, hai bisogno di più di un semplice acceleratore. È qui che entra in gioco l'esclusiva fabbrica di antimateria del CERN. Prende le antiparticelle create nel protone sincrotrone e le rallenta a velocità gestibili in quello che è effettivamente l'esatto opposto di un acceleratore di particelle: il deceleratore di antiprotoni. Gli "antiatomi" risultanti possono quindi essere studiati da una gamma di strumenti come AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry and Spectroscopy).

Una domanda a cui AEGIS dovrebbe essere in grado di rispondere presto è quella affascinante se l'antimateria cada verso il basso in un campo gravitazionale, come la materia ordinaria, o verso l'alto nella direzione opposta.

Il Large Hadron Collider è pericoloso?

L'LHC è talvolta indicato come fisica delle alte energie, ma è l'unica alta energia a livello subatomico. (Credito immagine: mesut zengin tramite Getty Images) (si apre in una nuova scheda)

Per vari motivi nel corso degli anni, le persone hanno ipotizzato che gli esperimenti al CERN potrebbero rappresentare un pericolo per il pubblico. Fortunatamente, tali preoccupazioni sono infondate. Prendi ad esempio la N al CERN, che sta per "nucleare", secondo UK Research and Innovation (si apre in una nuova scheda) (UKRI). Questo non ha nulla a che fare con le reazioni che avvengono all'interno delle armi nucleari, che comportano lo scambio di protoni e neutroni all'interno dei nuclei.

La ricerca del CERN è a un livello ancora più basso di questo, nei costituenti dei protoni e dei neutroni stessi. A volte viene definita fisica "ad alta energia", ma le energie sono "alte" solo se viste su scala subatomica. Le particelle all'interno dell'LHC, ad esempio, in genere hanno solo l'energia di una zanzara, secondo il rapporto sulla sicurezza dell'LHC Safety Assessment Group (si apre in una nuova scheda).

La gente temeva anche che l'LHC potesse produrre un "mini buco nero", ma anche se ciò accadesse, cosa improbabile, sarebbe incredibilmente piccolo e così instabile che svanirebbe in una frazione di secondo secondo il rapporto sulla sicurezza. rapporto.

Oltre il grande collisore di adroni

Oltre 12 anni dopo la sua entrata in servizio, l'LHC è ancora il più grande e potente acceleratore di particelle del mondo. Ma non manterrà quel record per sempre. Diversi paesi hanno in programma di fare un ulteriore passo avanti, tra cui il Circular Electron Positron Collider cinese e l'International Linear Collider (si apre in una nuova scheda) in Giappone.

La proposta dell'Europa è il Future Circular Collider (FCC), da costruire vicino all'LHC al CERN ma di dimensioni minime. Sebbene non sia stato ancora approvato finanziariamente, il costo stimato è di 20 miliardi ($ 27 miliardi) il design è ben avanzato secondo Physics World (si apre in una nuova scheda).

La FCC avrebbe una circonferenza di 62 miglia (99 km) e siederebbe accanto all'LHC, che userebbe come iniettore di particelle, raggiungendo alla fine energie sette volte maggiori rispetto al suo predecessore.

Domande e risposte con la scienziata del CERN Clara Nellist

Dott.ssa Clara Nellist

Il dottor Nellist lavora all'esperimento ATLAS del Large Hadron Collider al CERN.

Discutiamo di com'è lavorare con il più grande acceleratore di particelle del mondo.

Come sei arrivato a essere coinvolto nell'esperimento ATLAS?

Ho iniziato su ATLAS per la mia ricerca di dottorato. Stavo sviluppando nuovi sensori di pixel per migliorare la misurazione delle particelle mentre passano attraverso il nostro rivelatore. È davvero importante renderli resistenti ai danni delle radiazioni, il che è una grande preoccupazione quando si avvicinano i sensori alle collisioni delle particelle. Da allora, ho avuto l'opportunità di lavorare su diversi progetti, come capire come il bosone di Higgs e il quark top interagiscono tra loro. Ora sto applicando algoritmi di apprendimento automatico ai nostri dati per cercare accenni di materia oscura. Uno dei più grandi misteri della fisica in questo momento è: qual è l'85% della materia nel nostro universo? La chiamiamo materia oscura, ma in realtà non ne sappiamo molto!

Com'è lavorare con una macchina così unica e potente?

È davvero incredibile poter lavorare su questa macchina incredibilmente complicata con persone provenienti da tutto il mondo. Nessuno può gestire tutto, quindi ogni team diventa un esperto della propria parte specifica. Quando lavoriamo tutti insieme, possiamo fare scoperte sui più piccoli elementi costitutivi del nostro universo.

Ci sono nuovi interessanti sviluppi che non vedi l'ora in particolare?

Stiamo riavviando il Large Hadron Collider quest'anno, quindi sono davvero entusiasta di vedere cosa potremmo trovare con esso. Parte del nostro lavoro consiste nel comprendere le particelle che già conosciamo nel modo più dettagliato possibile per verificare che le nostre teorie corrispondano a ciò che misuriamo. Ma stiamo anche cercando particelle nuove di zecca che non abbiamo mai visto prima. Se troviamo qualcosa di nuovo, potrebbe essere un candidato per la materia oscura, oppure potrebbe essere qualcosa di completamente inaspettato.

Risorse addizionali

Puoi fare un tour virtuale del Large Hadron Collider con il Consiglio europeo per la ricerca nucleare (si apre in una nuova scheda) (CERN), che ti offre uno sguardo a 360 gradi all'interno del collisore. Puoi anche visualizzare lo stato del Large Hadron Collider in tempo reale con lo strumento Vistar del CERN (si apre in una nuova scheda). Scopri cosa hanno fatto per noi gli acceleratori di particelle in questo interessante articolo (si apre in una nuova scheda) di Physics World. Ci sono molti acceleratori di particelle in tutto il mondo, per un elenco completo di esempi, dai un'occhiata a questa risorsa dell'Istituto di fisica dell'Università di Bonn (si apre in una nuova scheda), Germania.

Bibliografia

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