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.