lunedì 4 maggio 2015

La nuova avventura di LHC

Nella fisica delle particelle, si sa, l’obiettivo principale è quello di studiare la struttura della materia. Il Large Hadron Collider (LHC) è proprio lo strumento più adatto, e il più grande che sia mai stato costruito, che come una sorta di microscopio gigante ci permette di esplorare le proprietà delle particelle elementari e le loro interazioni che insieme rappresentano lo scheletro della materia al livello più fondamentale. La comunità scientifica è in trepidante attesa per i nuovi esperimenti che caratterizzeranno il Run 2 di LHC anche perchè potrebbero cambiare la nostra comprensione dell’Universo. Fisici ed ingegneri hanno già effettuato gli ultimi controlli dopo due anni di manutenzione che hanno portato il grande acceleratore a raddoppiare l’energia di collisione portandola al valore di 13-14 TeV. Al momento, nell'anello di 27 Km si stanno completando tutta una serie di test che termineranno con l'inizio delle vere e proprie collisioni a partire, secondo le previsioni, da questo mese di Maggio. Dopo il successo ottenuto a seguito della scoperta del bosone di Higgs, o meglio di una particella che tanto gli assomiglia, tra gli obiettivi che si propongono i fisici quello di trovare tracce di nuove particelle in una sorta di corsa contro il tempo che ha quasi del fantascientifico.

Il 'nuovo' LHC
I due grafici si riferiscono allo spettro di massa
che mostra il 'bump', cioè l'eccesso di segnale
associato al bosone di Higgs, così come è stato osservato
da ATLAS e CMS. E' un pò come se guardassimo il profilo
di un pendio in cui si vede emergere una collina.
Credit: CERN







Per costruire il Large Hadron Collider (LHC), l'acceleratore di particelle più grande e più potente del mondo che sorge al CERN nei pressi di Ginevra, ci sono voluti circa 10 anni, dal 1998 al 2008. Lo scopo è quello di rispondere ad alcune questioni fondamentali che riguardano il modello standard, il quadro migliore che descrive le proprietà delle particelle elementari e di tre interazioni fondamentali (è esclusa la gravità). Ad una di queste è stato possibile rispondere solo parzialmente grazie alla scoperta di un bosone scalare, che sembra avere le proprietà consistenti con il bosone di Higgs del modello standard e i cui risultati sono stati presentati al CERN durante una conferenza nel Luglio del 2012 (post). Tuttavia, i fisici vogliono saperne di più soprattutto per quanto riguarda le particelle che dovrebbero costituire l’enigmatica materia scura, che rappresenta circa un quarto del contenuto materia-energia dell'Universo. Durante la chiusura di due anni, un periodo noto come LS1 (Long Stop One) iniziato il 14 Febbraio 2013, che aveva lo scopo di correggere alcune falle del progetto originale, tecnici ed ingegneri sono stati impegnati per eseguire tutta una serie di lavori di manutenzione che hanno permesso di sostituire almeno 10.000 collegamenti tra le diverse sezioni del collisore e di aggiungere 5.000 sistemi isolanti. Nel corso del periodo di manutenzione, l’acceleratore è stato controllato a fondo e ulteriormente ottimizzato al punto che sembra quasi un "nuovo collisore". Più di un milione di ore lavorative sono state spese per operare il più vicino possibile al nuovo design e alle richieste di energia e potenza che caratterizzeranno i prossimi esperimenti. La sostituzione di alcuni sistemi elettrici e magnetici farà sì che la macchina potrà raggiungere una potenza almeno doppia (13-14 TeV) rispetto al Run 1 (7-8 TeV).Un tale incremento di energia permetterà di svelare, almeno così si spera, una sorta di nuovo universo subatomico, ricco di dettagli che non sono mai stati osservati prima. Diverse sono le aspettative una volta che LHC entrerà in funzione a regime e la speranza dei fisici sarà quella di approfondire le proprietà della particella di Higgs, capire se abbiamo trovato "il" bosone di Higgs o se si tratta invece di "un" tipo di bosone di Higgs, verificare se esistono davvero le particelle supersimmetriche, se ci sono in natura altre particelle più esotiche del tutto sconosciute e si cercheranno eventuali segnali riconducibili all’esistenza di dimensioni spaziali extra. Le indiscrezioni che circolano tra i fisici suggeriscono che con il Run 2 gli scienziati tenteranno di vedere, se esistono, evidenze di una “nuova fisica”. Durante i prossimi tre anni, LHC dovrà analizzare eventuali falle nel modello standard che, di fatto, non spiega né l'origine della materia scura né l'energia scura senza considerare il fatto che esso non comprende l'interazione gravitazionale. Si tratta di una sorta di “viaggio di Colombo” verso l’esplorazione di un nuovo mondo (subatomico) senza l’uso di alcuna mappa che possa fare da guida. Non si sa quali strane caratteristiche si troveranno ma sarà considerato tutto quello che ci sarà da guardare, da studiare e da scoprire, di questo i fisici ne sono convinti. Insomma, possiamo davvero affermare che riparte una nuova avventura scientifica.


Un viaggio verso l'ignoto
Courtesy: Ufficio Comunicazione INFN
La cosa più eccitante è che non sappiamo davvero cosa troveremo. Gli scienziati vogliono svelare i segreti dell’Universo, capire come si è originato andando a studiare i mattoni fondamentali della materia e le interazioni che le controllano. Durante il primo run, uno degli obiettivi è stato quello di confermare quanto fosse eccezionale la nostra teoria delle particelle subatomiche. Le misure ricavate dagli esperimenti di LHC hanno di fatto confermato in ogni fase il modello standard. Ancora meglio, due esperimenti (ATLAS e CMS) hanno trovato il bosone di Higgs previsto dalla teoria e mai osservato prima. Ma non è tutto così semplice. Nonostante la teoria sia stata ripetutamente verificata, con l’acquisizione sempre maggiore di nuovi dati, i fisici si sono trovati di fronte all’evidenza del fatto che non è proprio così: in altre parole, non abbiamo ancora l’ultima parola. Il modello standard non spiega alcune caratteristiche fondamentali dell’Universo come, ad esempio, la natura della materia scura, l’assenza di antimateria e persino il comportamento della gravità su scale subatomiche, dove inizia il regno delle regole quantisticheIn più, non sappiamo ancora molto della particella di Higgs, tranne per il fatto che “assomiglia” alle nostre aspettative, sebbene la sua vera natura potrebbe essere molto più esotica. Infatti, tra le domande aperte a cui fisici dovranno dare delle risposte ci si chiede se questo bosone scalare sia davvero l’unica particella del suo genere, come prevede il modello standard, oppure se si tratta del membro più “leggero” di una famiglia numerosa di particelle di Higgs. Ma se esistono altri bosoni di Higgs, forse alcuni di essi potrebbero apparire a valori più alti dell’energia di collisione oppure potrebbero apparire altre particelle sconosciute che non sono previste dal modello standard. Qualsiasi deviazione minima che eventualmente si potrà trovare nelle proprietà del bosone di Higgs, o in qualsiasi altra particella del modello standard, potrebbe rappresentare un chiaro segnale dell’esistenza di una “nuova fisica”. Insomma, trovare altri Higgs sarebbe fantastico ma trovare qualsiasi cosa a noi sconosciuta sarebbe ancora più interessante. Tuttavia, anche se non si troverà nulla sarà ugualmente un risultato importante, nonostante si speri ovviamente il contrario. Queste considerazioni ci fanno sospettare che ci deve essere una descrizione migliore, ancora più estesa e fondamentale della natura. Ma il fatto è che non lo sappiamo. Esistono centinaia di idee che vanno da semplici estensioni del modello standard a delle bizzarrie francamente stravaganti. Certamente, possiamo smentire la teoria se saremo in grado di fare solo una misura che non sia in accordo con il modello. Ma finora, ciò non è successo. Questo è il motivo per cui i fisici sono pronti a verificare i nuovi dati di LHC con il Run 2 perché è proprio in questo modo che procede la nostra comprensione dell’Universo.

L'angolo nascosto
Courtesy: Ufficio Comunicazione INFN
La supersimmetria è una estensione del modello standard. Si tratta di una teoria molto elegante e conosciuta nell'ambito della comunità dei fisici e potrebbe risolvere, si spera, alcuni punti oscuri del modello standard, sebbene non sia stata ancora verificata sperimentalmente. La supersimmetria potrebbe spiegare, tra l'altro, non solo le proprietà insolite del bosone di Higgs ma anche l'eventuale esistenza di altre particelle di Higgs, come mai l'interazione forte e quella debole sono così differenti e poi l'origine della materia scura, quest'ultima il mistero più profondo della fisica moderna. Questa teoria predice, per ogni particella nota, l'esistenza di una corrispondente particella, denominata “superparticella”, che ha proprietà simili alla particella standard tranne per il fatto che è più pesante. Tuttavia, dopo gli esperimenti fallimentari di LHC che non hanno permesso di rivelare le superparticelle, alcuni scienziati hanno pensato di abbandonare definitivamente la teoria. Infatti, alcune superparticelle, come il quark stop” che è la superparticella del quark-top, dovrebbero avere una massa così leggera che sarebbe stata già rivelata dal grande collisore. Ma secondo alcuni teorici, le superparticelle potrebbero essere, per così dire, “nascoste” dal rumore dovuto al segnale causato da altre particelle che si originano durante le collisioni protoni-protoni. Non solo, ma una delle proprietà di queste particelle pesanti non permetterebbe di trasformarle esclusivamente nelle particelle ordinarie e quindi di essere osservate. Quando nell'anello di LHC verranno realizzate le prossime collisioni con un livello di energia superiore, i fisici sperano che esso potrà fornire preziosi indizi sull’esistenza delle superparticelle, anche se bisognerà tener presente tutte le altre possibilità. I teorici hanno ipotizzato l’esistenza di tali particelle ormai da decenni. Infatti, la supersimmetria sostiene che una o più superparticelle, se esistono davvero, potrebbero rivelarsi come i costituenti della materia scura, quella enigmatica componente che costituisce oltre l’85 per cento della materia presente nell’Universo e che non è descritta dal modello standard. Dunque, trovare queste superparticelle, almeno quelle più “leggere” previste dalla teoria, assumendo che non siano troppo pesanti per essere prodotte ad energie raggiungibili da LHC, sarà uno degli obiettivi principali dei prossimi esperimenti. Ma, forse, la supersimmetria non è la teoria giusta. Tuttavia, la cosa importante è capire il modo con cui funziona la natura realizzando tanti esperimenti e costruendo modelli alternativi. Insomma, bisogna esplorare qualsiasi angolo senza tralasciare alcuna teoria che possa essere potenzialmente adeguata là dove si “nascondo” le cose.

Un'avventura senza meta
Al momento, il collisore viene mantenuto ad una temperatura di 1,9 gradi sopra lo zero assoluto, ancora più bassa della temperatura dello spazio (2,7 gradi Kelvin). LHC opererà ad una potenza quasi doppia, verificata di recente quando i fisici hanno eseguito tutta una serie di test ai magneti relativamente ad un particolare settore del collisore. Con questo nuovo e potente dispositivo, gli scienziati saranno in grado di esplorare eventuali deviazioni, se esistono, al fine di capire se ci troviamo di fronte ad un livello più profondo della fisica che va oltre il modello standard. Molti teorici stanno prendendo sul serio la supersimmetria e se essa si dimostrerà vera, il “nuovo LHC” potrebbe essere in grado di creare le particelle supersimmetriche, o almeno provarne la loro esistenza attraverso altri metodi. È possibile che il bosone di Higgs interagisca o si trasformi in particelle di materia scura? Anche in questo caso, se questa ipotesi si dimostrerà vera allora le particelle di materia scura dovrebbero letteralmente “volar via” dal rivelatore senza essere osservate. 


Una suggestiva vista del rivelatore ATLAS. Credit: CERN
Dai primi di Aprile, fasci di particelle costituiti da miliardi di protoni hanno iniziato a circolare nel lungo anello di 27 chilometri. Poi, a partire dalla fine di Maggio o dai primi di Giugno, l’acceleratore sarà calibrato per iniziare definitivamente le tanto attese collisioni protoniche nei quattro principali rivelatori (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) e che avranno una energia di 6,5 TeV per fascio. Raggiungere 13-14 TeV rappresenterà un nuovo record che, si spera, aprirà una finestra verso una nuova esplorazione e nuove scoperte che consentiranno ai fisici di verificare teorie che prima non era possibile mettere alla prova, di cercare segnali dell'esistenza di particelle esotiche e possibilmente di una “nuova fisica” che vada al di là del modello standard. Diversamente dalla fase iniziale, quando eravamo ragionevolmente sicuri che avremmo osservato il bosone di Higgs oppure che avremmo trovato qualche falla nel modello standard, per questa nuova avventura di LHC ora non c’è una vera e propria linea da seguire. I fisici hanno bisogno di verificare ogni parte del modello a più alte energie per trovare, possibilmente, delle discrepanze nella teoria e per vedere se esistono nuove ed inattese particelle di cui ignoriamo l’esistenza. Insomma, tutto è pronto e qualunque cosa ci sarà là fuori, vogliamo trovarla. Abbiamo ancora tante domande aperte sull’Universo e tanto in sospeso che non possiamo pensare di fermarci proprio adesso.

Nessun commento:

Posta un commento