LHC è solo l’ultimo anello di una storia tecnologica che è cominciata all’inizio del Novecento, la storia degli acceleratori di particelle. Nel 2012 ci si attende una conferma o una smentita definitiva sulla particella di Higgs, ma già nel 2013 con LHC a piena potenza i fisici sperano di cominciare a vedere «nuova fisica». Continuiamo la nostra conoscenza dello «strano mondo di LHC» in compagnia di Guido Tonelli, fino a dicembre scorso portavoce dell’esperimento CMS. Scorri in fondo all’articolo per le domande di comprensione.

«Quando nel 2000 LEP è stato chiuso, io ero preoccupato, non lo nascondo. Mi sono tranquillizzato solo nel luglio del 2011, quando ci siamo potuti confrontare sui primi dati raccolti con LHC. Ma per 11 anni abbiamo lasciato aperta la possibilità che i gruppi che lavoravano al Fermilab identificassero il bosone di Higgs prima di noi». Sintetizza così le ansie e le preoccupazioni di un decennio Guido Tonelli, portavoce fino allo scorso dicembre di CMS che, assieme ad ATLAS, è uno degli esperimenti dell’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare (CERN) che sta dando la caccia all’ultima particella del Modello Standard non ancora «vista» dai rivelatori.

In quei dieci anni, all’interno del tunnel di 27 km scavato sotto a Ginevra, in Svizzera, il Large Electro-Positron Collider (LEP) veniva sostituito dalla nuova macchina, il Large Hadron Collider (LHC), che avrebbe dovuto indagare ancora più a fondo nei segreti della materia grazie alla sua capacità di sviluppare energie più elevate. Di sicuro sufficienti a «battere» Tevatron, l’acceleratore attivo fino a settembre 2011 al Fermi National Accelerator Laboratory di Chicago (Fermilab). «Se la particella di Higgs avesse avuto una massa vicina a 150 - 155 GeV, cosa che oggi sappiamo di poter escludere, gli americani avrebbero potuto identificare Higgs qualche anno prima di noi». Nel luglio del 2011, però, i dati preliminari raccolti grazie a LHC cominciano a indicare che la massa dell’Higgs dovrebbe essere più piccola e la chiusura del Tevatron tranquillizza definitivamente tutto l’ambiente ginevrino.

Illustrazione schematica della posizione di LHC rispetto a Ginevra.

In rosso sono indicati i punti in cui si trovano i quattro esperimenti principali del laboratorio rispetto all’anello dell’acceleratore (Immagine: LHC Italia)

Una visione lungimirante
Quando fu concepito nel 1981, il Large Elecron-Positron Collider era la macchina per la ricerca in fisica nucleare più potente mai concepita e, poi, realizzata. Già allora, con una straordinaria lungimiranza, la comunità scientifica del CERN che collaborò alla progettazione e alla costruzione di LEP decise di alloggiarlo in un anello sotterraneo già predisposto per accogliere in futuro un nuovo acceleratore, più potente e pensato per lo scontro frontale di positroni (come dice il nome, invece, LEP prevedeva lo scontro di protoni ed elettroni). LEP entrò in funzione nel 1989 e continuò a funzionare fino al 2000. Aveva già dato risultati importanti per quanto riguarda la ricerca della particella di Higgs, escludendo masse inferiori a 114 - 115 GeV, ma per poter spingersi oltre nell’osservazione del mondo subatomico, i ricercatori avevano bisogno di una macchina più potente. Così già nel 1995 venne approvata la costruzione di LHC che vide la luce solamente nel 2008, mentre il pieno regime di funzionalità è stato ancora più recente.

Per conoscere meglio LHC, lasciamo la parola all’ingegnere Luca Bottura e alla fisica dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Marcella Diemoz in un video realizzato dalla web tv Televisionet.tv:

Una storia di acceleratori
Lo stop di LEP per lasciare lo spazio alla costruzione di LHC è solo l’ultimo di una serie di salti e progressi tecnologici che hanno caratterizzato la ricerca nella fisica di base fin dagli inizi del Novecento per mettere a disposizione della comunità scientifica macchine capaci di sviluppare energie sempre maggiori. Per dirla con Vittorio Giorgio Vaccaro, la storia della ricerca in fisica nucleare si può pensare come l’ideazione di «cannoni sempre più potenti». Questi cannoni sono gli acceleratori, cioè macchine che «producono particelle accelerate da usare come proiettili da sparare contro altre particelle per romperle e studiare che cosa viene prodotto durante questa interazione tra bersaglio e proiettile».

Per creare forze elettriche sempre più intense si è progressivamente fatto ricorso a sistemi in grado di generare cadute di potenziale sempre più grandi. Gli acceleratori detti, quindi, «a caduta di potenziale» sfruttano conoscenze basilari della fisica. Prendendo ancora a prestito le parole di Vaccaro: «Un oggetto di massa m, in caduta libera, acquista un’energia cinetica proporzionale alla massa m, all’altezza da cui è caduto h e alla accelerazione di gravità g. Quindi, riformulando quanto appena detto, abbiamo che l’energia cinetica acquisita è pari a m·(h·g); parimenti una particella di carica e, che si muova tra due punti tra i quali vi è una differenza di potenziale V, acquista un’energia descritta da una formula simile (e·V), in cui la carica prende il posto della massa, e il potenziale V prende il posto di h·g».

Sempre più potenti
Inizialmente gli acceleratori erano lineari, cioè acceleravano le particelle da un punto A verso un bersaglio posto nel punto B all’interno di un corridoio più o meno lungo. Fu Rolf Wideroe che tra gli anni Trenta e Quaranta pensò di utilizzare un campo magnetico per confinare le particelle cariche in un’orbita circolare, ma con in più il tocco geniale che se il campo viene opportunamente fatto variare, questo aumenta anche l’energia della particelle che stanno circolando.

L’evoluzione nel tempo degli acceleratori di particelle in funzione dell’energie raggiunte (Immagine: asimmetrie/INFN)

Gli acceleratori lineari construiti negli anni Trenta permiso di raggiungere energie dell’ordine di 50 KeV. Fu Ernest Lawrence, riprendendo alcune idee di Wideroe, che dimostrò la fattibilità del ciclotrone. Si tratta di un acceleratore non più lineare, ma nel quale la particelle vengono accelerate lungo una traiettoria a spirale dovuta all’applicazione di un campo magnetico. Queste innovazioni permisero di raggiunsero gli 80 KeV e fecero vincere il premio Nobel a Lawrence.

Illustrazione di un punto di collisione nel tunnel di LHC: si noti come i due fasci di protoni che si scontrano siano «controrotanti».

I cerchi colorati indicano diverse famiglie di particelle che si generano dallo scontro, oltre ai raggi gamma (Immagine: LHC Italia)

Negli anni Quaranta, il nuovo salto tecnologico è verso il sincrotrone. Il suo funzionamento si basa sulla separazione dell’apparato che guida le particelle (i vari tipi di magnete) dall’apparato che le accelera (cavità risonanti in grado di generare alti campi a frequenza variabile). In Italia, nel 1957, entra in funzione il sincrotrone dei Laboratori di Frascati dell’INFN che deteneva il record mondiale di energia dell’epoca: 1 GeV, cioè 1 miliardo di elettronvolt.

L’ultimo passaggio è quello dagli acceleratori ai collisori (in inglese collider), ovvero macchine che sfruttano fasci «controruotanti» di particelle:  non più particelle accelerate verso un bersaglio fisso, ma proiettili che si scontrano frontalmente tra di loro. Questo accorgimento è apparentemente semplice, ma di difficile realizzazione tecnica dovuta tra l’altro alla necessità di sincronizzare i fasci in modo che gli scontri avvengano nei punti in cui sono posizionati i rivelatori. A questa famiglia di macchine appertengono sia LEP che LHC. Quest’ultimo ha raggiunto energie estremamente elevate. Nei «run» svolti sinora si sono raggiunti i 7 teraelettronvolt (TeV), ovvero 7 mila miliardi di elettronvolt. Per fare un paragone, il Tevatron poteva raggiungere energie di 1,96 TeV. Nel corso del 2012, LHC ridarà fascio con queste caratteristiche di energia, ma nel 2013 i fisici del CERN hanno già previsto di incrementare la sua potenza fino a raggiungere i 13 TeV e poter così cominciare a indagare concretamente anche la materia oscura e l’energia oscura.

Il tunnel di LHC con magneti e tutti gli strumenti pronti per all’uso (Immagine: Wikimedia Commons)

Il futuro di LHC
Secondo Guido Tonelli e gli altri fisici che stanno lavorando agli esperimenti del CERN, il 2012 potrebbe proprio essere un anno determinante per la fisica delle alte energie, con la conferma o meno della presenza del bosone di Higgs. Nel 2012, inoltre, il collider dovrebbe dare il massimo per quanto riguarda la potenza, permettendo probabilmente di intrarevvedere nuova fisica. «Le conferme su Higgs che credo ci saranno quest’anno», commenta Guido Tonelli, «ci dovrebbero permettere di chiudere un capitolo della fisica che è stato aperto più di cinquant’anni fa. Dal mio punto di osservazione, dentro a CMS, spero proprio di cominciare a vedere i primi vagiti della nuova fisica, perché nonostante tutti i passi avanti che abbiamo fatto negli ultimi decenni, le domande aperte rimangono ancora tantissime: come sono fatte la materia oscura e l’energia oscura? È possibile, ed eventualmente in che modo, sviluppare una teoria unificata di tutte le interazioni della materia? Inoltre, rimane da comprendere a fondo qual è la gerarchia delle diverse forze che agiscono nell’Universo». Bosone di Higgs a parte, quindi, si tratta di un’avventura intellettuale ancora tutta da scrivere.