di  -  lunedì 27 settembre 2010

È da quando ho cominciato a scrivere su questo blog che a intervalli più o meno regolari si parla dell’acceleratore di particelle di Ginevra, l’LHC. Non sono certo la sola a parlarne, e quasi tutti i giornali ci tengono informati degli avanzamenti di questa macchina. In particolare, ormai tutti sanno che lo scopo principale del Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra è quello di rivelare per la prima volta il bosone di Higgs, la particella elementare che confermerebbe il modello standard con cui i fisici descrivono il mondo. Quello che non tutti sanno è che per ottenere tale scoperta è necessaria una quantità enorme di dati, da raccogliere nell’arco dei prossimi 5 anni. Nel frattempo, però, non si sta con le mani in mano e questa potentissima macchina viene utilizzata per altre ricerche di fisica elementare.

Come i fisici di CMS misurano il comportamento delle particelle dopo la collisione. la freccia indica il "ridge" come osservato da CMS.

Uno degli studi da cui si aspettano i primi interessanti risultati è il programma di collisioni tra ioni pesanti il cui inizio è previsto per i primi giorni di novembre e che terrà occupati i fisici a Ginevra fino a Natale. LHC, acronimo di Large Hadron Collider, grande collider di adroni, è capace di accelerare sia protoni (importanti per la scoperta dell’Higgs ad esempio), sia particelle molto più pesanti quali nuclei ionizzati (cioè atomi privati di tutti gli elettroni) di elementi molto pesanti, quali Rame, Piombo, Oro.

L’interesse verso questo aspetto della fisica delle alte energie, risiede nella possibilità di ricreare in laboratorio condizioni energetiche molto simili a quelle presenti durante i primi microsecondi di vita del nostro Universo. Subito dopo il Big Bang, infatti, si ritiene che il neonato Universo fosse riempito da un gas ionizzato (plasma) molto caldo e denso di quark e gluoni. Con il raffreddarsi di tale plasma i quark si unirono indissolubilmente tra loro, dando luogo a particelle più pesanti (come protoni o neutroni). Nell’era attuale, si pensa che questo densissimo e caldissimo plasma possa essere presente solo all’interno di oggetti celesti molto massivi e densi, come nel nucleo delle stelle a neutroni. Tali condizioni possono però venir ricreate artificialmente, anche se solo su scala infinitesimale, utilizzando gli acceleratori di cui oggi disponiamo. Scontrando ad energie elevatissime nuclei molto pesanti, come Oro o Piombo, è possibile per un tempo brevissimo e in un volume piccolissimo, raggiungere la densità di materia e la temperatura necessarie per ricreare il plasma primordiale.

Questo tipo di collisioni sono state studiate molto in dettaglio negli ultimi 10 anni presso i laboratori di Brookhaven, vicino a New York. Gli esperimenti eseguiti hanno permesso ai fisici di ricreare in laboratorio il plasma di quark e gluoni (QGP) e di studiarne le caratteristiche. Il plasma creato, oltre ad essere la materia più calda di cui si abbia conoscenza nell’intero Universo, ha la stupefacente caratteristica di comportarsi come un liquido perfetto. Le leggi della termodinamica si applicano infatti alla perfezione (è il “liquido” più perfetto ad oggi conosciuto) nella descrizione di questo plasma.

Nei prossimi mesi, ad LHC, il quark-gluon plasma verrà ricreato con un energia ancora maggiore rispetto al passato, e le sue proprietà studiate ancora più nel dettaglio e con più precisione. Tra una presa dati di collisioni di protoni e l’altra, infatti, l’LHC comincia un programma speciale, in cui ioni di Rame verrano fatti scontrare ad energie mai raggiunte prima. L’attesa per questi nuovi risultati è molto alta, soprattutto perché già dopo pochi mesi di misure non tarderanno ad arrivare le prime scoperte.

In questo senso, in realtà, i primi risultati inaspettati sono già usciti. Alcuni giorni fa la collaborazione di CMS, uno degli esperimenti di punta dell’LHC, ha pubblicato una serie di misure di correlazioni tra particelle utilizzando i dati finora disponibili riguardanti collisioni tra protoni. CMS ha mostrato che alcune caratteristiche, finora osservate esclusivamente tra i ben più densi ioni pesanti, sono presenti e visibili anche facendo scontrare particelle più leggere, se l’energia è sufficientemente elevata.

La notizia che probabilmente molti di voi hanno letto anche sui quotidiani nazionali, è rappresentata nella figura all’inizio del post. In fisica delle particelle il modo per comprendere cosa sta succedendo durante e dopo la collisione è osservare l’angolo di emissione delle particelle così prodotte e, quando possibile, misurarne l’energia. Normalmente quando due particelle hanno uno scontro frontale ci si aspetta che i prodotti “rimbalzino” da una parte e dall’altra, come farebbero due palle da biliardo. Questo effetto è rappresentato nella figura in alto come la “collina” bassa e larga nella prima figura in alto a sinistra. Il picco rosso, invece, rappresenta il fatto che durante questo tipo di scontri non si produce un’unica particella, come succede tra le palle di biliardo, ma molte di più (come se le palle da biliardo si disintegrassero in tantissime altre palline). Quando vengono prese coppie di particelle per osservarne l’angolo reciproco, non sempre sono quelle che vanno ai due lati opposti, ma ogni tanto se ne beccano due che sono collineari, prodotte nella stessa direzione. In questo caso vanno a finire nel picco più alto delle figure.

L’effetto “Ridge” si comincia ad osservare quando si selezionano solo eventi che coinvolgono un maggior numero di particelle (passando dalla figura a sinistra a quella a destra) e si nota che questo picco non è un vero picco preciso e appuntito come sembrava, ma ha delle sbavature, come indicate dalla freccia. Questo effetto era già stato osservato a Brookhaven, nello scontro tra ioni, ma la sua origine non è ancora chiara. Una possibile spiegazione sarebbe la presenza di questo plasma di gluoni e quark (QGP), ma non è la sola possibile spiegazione (anche se forse la più affascinante). Per avere una vera risposta sull’origine di questo effetto dovremo aspettare qualche mese, quando l’LHC farà scontrare ioni sempre più pesanti ed energetici. Per ora i fisici sono già rimasti a bocca aperta osservando che questo effetto fa capolino addirittura scontrando semplicemente due protoni.

Il periodo di collisioni tra ioni pesanti sta ormai per iniziare, e dopo questo antipasto fornitoci dall’esperimento CMS non ci resta che aspettare la portata principale, quando Alice non tarderà a stupirci con nuove scoperte e probabilmente con la spiegazione di questo effetto, ben prima che l’Higgs possa venir ufficialmente “scoperto”.

Informazioni più dettagliate sulla scoperta di CMS possono essere trovate qui.

7 Commenti »

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  • # 1
    Andrea Del Bene
     scrive: 

    Grazie per questi interessantissimi approfondimenti sull’LHC! Anche se non mi occupo di fisica è un argomento che mi interessa molto e visito spesso il sito http://www.infn.it/lhcitalia/ per aggiornarmi.
    Scusate la domanda da profano ma secondo voi questi studi potranno avere in futuro delle ricadute importanti nel campo della produzione energetica?

  • # 2
    aeternal
     scrive: 

    molto ma molto interessante :)

    Avrei una domandina che mi frulla per la testa, o meglio un paio. Da completo neofita del campo, magari sono delle stupidaggini, in tal caso, perdonatemi.

    Ciò che mi chiedevo in primis è, supponendo che l’esperimento fallista e che quindi questo “bosone di Higgs” non ve ne è alcuna traccia, quali sarebbero le principali ripercussioni sulla fisica moderna? A primo avviso direi che “cadrebbe tutto il modello”, ma più precisamente, cosa salterebbe?

    In secondo luogo, ho sentito spesso parlare di questi esperimenti, ma sinceramente parlando, non ho ancora capito come queste “moli di dati” vengono presi nella pratica. Sapete a grandi linee che strumenti di misurazione possiedono generalmente?

    Grazie a tutti, e scusate per le domande sceme.

  • # 3
    mede
     scrive: 

    @ andrea del bene
    penso dipenda da cosa scoprono e da come lo spiegano. La conoscenza della fisica può portare ad applicazioni pratiche, spesso è facile intuire quale branca della fisica porterà a dei risultati applicabili, altre volte magari non è così scontato. Lo dico anch’io da profano comunque. da un punto di vista totalmente intuitivo, penso che sia improbabile una scoperta grandiosa che porti a produzione di energia a breve termine. ma a lungo termine capire più profondamente come funziona ciò che ci compone e ci circonda è difficile il contrario a mio avviso, e cioè che non abbia conseguenze, quali è impossibile dirlo a priori.

    bell’articolo come sempre, su firefox3 un po’ spaginato per l’immagine e il testo ha grandezze diverse nel post…

  • # 4
    G
     scrive: 

    imho la cosa migliore che possa capitare non è trovare un bosone che confermi un modello teorico, ma trovare qualcosa che non si sappia che diamine sia

  • # 5
    Alex
     scrive: 

    Ma Gordon Freeman lo avete visto nei pressi dell’LHC ultimamente? :-)

  • # 6
    droid
     scrive: 

    io ci voglio rodney mackay :asd:

  • # 7
    dargor17
     scrive: 

    @ Andrea Del Bene: Questo tipo di fisica è lontanissimo dal campo della produzione di energia, e le scoperte che verranno fatte con LHC difficilmente avranno ricadute utili in tale direzione. Il punto però è che per fare questa fisica è necessario sviluppare delle tecnologie estremamente avanzate, che possono poi venir utilizzate in altri campi.

    @ aeternal: I grandi apparati di misura di fisica delle alte energie sono composti da diverse parti con finalità specifiche: ad esempio un sistema di rivelatori volto a tracciare il percorso fatto dalle particelle cariche per un certo volume, o un sistema di rivelatori per misurare l’energia complessiva emessa sotto forma di gamma e particelle leggere.
    Ognuno di questi sistemi è a sua volta composto da un numero enorme di rivelatori individuali, ognuno un oggettino che puoi tenere in mano. Questi rivelatori hanno un cavo “in entrata” che gli da la tensione necessaria per funzionare, ed un cavo “in uscita” su cui passa un impulso elettrico solo quando il rivelatore è attraversato da una particella.
    Tutti i cavi in uscita vengono mandati a delle schede elettroniche capaci di registrare il segnale e convertirlo in un dato digitale, che viene poi spedito al sistema di computer che gestisce l’acquisizione dei dati.
    Normalmente si definisce una condizione, detta trigger, tale che nell’istante in cui il trigger diventa vero, l’acquisizione scrive su disco il valore letto da tutti i rivelatori, creando quello che si dice un evento. Gli eventi vengono scritti uno in fila all’altro, e su quelli si fa poi tutta l’analisi. Personalmente non lavoro in LHC quindi non so come funzioni esattamente da loro, dato che hanno eventi enormi e devono fare istantaneamente delle selezioni per decidere quali vengano scritti su disco e quali scartati.

    Chiaramente questo è uno schema semplificato, ma dovrebbe darti un’idea.

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