L’inaugurazione del Large Hadron Collider (LHC), il nuovo acceleratore di particelle del Centro Europeo di Ricerche Nucleari (CERN), ha recentemente occupato le pagine dei giornali, molto spesso in forma sbagliata, più di quanto sarebbe stato utile.
Probabilmente l’Ufficio Pubbliche Relazioni del CERN si è fatto prendere la mano dal sensazionalismo, assecondando le tendenze dei mass-media. Ed è stato un pessimo esempio di divulgazione. Per semplificare le cose e spiegarle al grande pubblico non è necessario e non si deve sconfinare nella fantascienza. Almeno gli scienziati e gli istituti di ricerca dovrebbero mostrare più serietà.
Cercherò qui di spiegare in poco spazio perché si costruiscono gli acceleratori, in particolare qual è lo scopo di LHC, e tenterò di fare in modo che il lettore possa orientarsi un po’ fra le invenzioni immaginifiche sul Big Bang, la «Particella di Dio», la «Materia Oscura».
Gli acceleratori e il «little bang»
Le particelle stabili che costituiscono la materia sono solo tre: il protone, l’elettrone e il neutrino. Esiste poi una particella che vive abbastanza a lungo, e cioè il neutrone, la cui vita media si aggira sugli 887 secondi. Quando si cominciò a studiare le particelle elementari, utilizzando il grande acceleratore che la natura ci offre, cioè il Cosmo, e quindi esponendo dei rivelatori ai raggi cosmici, ci si accorse che oltre alle tre particelle stabili vi erano in natura altre particelle, che vivevano molto poco, e che decadevano, appena dopo prodotte, nelle particelle stabili. Attualmente si conoscono più di duecento particelle instabili, che vivono, a seconda della natura delle forze in gioco, dai 10-8 ai 10-24 secondi. Per poterle studiare è necessario anzitutto produrle, e per produrle si deve avere a disposizione delle particelle stabili dotate di grande energia cinetica, quali sono presenti nei raggi cosmici, o quali possono essere prodotte dagli acceleratori di particelle. Se prendiamo come acquisito il modello del Big Bang (che è ancora un’ipotesi, anche se molto probabile) tutte queste particelle instabili dovevano essere state prodotte nella Grande Esplosione, decadendo subito dopo sia in protoni ed elettroni (che hanno dato origine alla materia) sia in neutrini, che infatti sono presenti in grande quantità (circa 300 per metro cubo) nello Spazio, e che rappresentano una sorta di residuo fossile dell’evento che ha dato origine all’Universo.
Consideriamo ora il caso di LHC.
Questo acceleratore, che è il più potente mai costruito, accelera due fasci di protoni, facendoli incidere uno contro l’altro dopo averli accelerati a una energia di 7 TeV (1 TeV=1012 elettronvolt) ciascuno. Quindi l’energia totale a disposizione durante le collisioni protone-protone si aggira sui 14 TeV. Ricordiamo ora che il raggio del protone è circa 10-13 cm e che la velocità dei protoni accelerati è prossima alla velocità della luce (cioè dell’ordine di 1010 cm/sec); quindi tutta l’energia in gioco durante una collisione è concentrata in circa 10-23 sec., cioè il tempo che occorre a un protone per attraversare idealmente l’altro protone con il quale collide. Tenuto conto che 1eV corrisponde a circa 10-19 Joule, si deduce che la potenza in gioco durante la collisione è dell’ordine dei 1017 J/s, cioè 108 GigaWatt, che è la potenza di qualche migliaio di centrali nucleari messe assieme.
In questo modo si producono le particelle instabili, che non esistono normalmente nella materia: si genera quindi un «little bang», che in un tempo piccolissimo e in uno spazio piccolissimo riproduce quanto avvenuto probabilmente nel Big Bang. Questo avviene non solo a LHC, ma in tutti gli acceleratori di particelle, che fecero la loro comparsa, accelerando protoni o elettroni, alla fine degli anni Cinquanta.
Rimangono ora da chiarire due aspetti: perché vengono studiate particelle che normalmente non esistono nella materia e perché vengono costruiti acceleratori sempre più potenti (LHC sarà probabilmente l’ultimo degli acceleratori).
Lo studio di tutte le particelle elementari e del loro comportamento è stato essenziale per capire come funzionano i meccanismi che agiscono nella materia a livello subnucleare e per conoscere le forze in gioco nella natura. Infatti le particelle vengono prodotte e si trasformano in altre particelle (decadono) mediante interazioni, che sono caratterizzate da campi di forze diverse. Tali forze sono due delle tre forze di base che esistono in natura: le forze nucleari «forti» e le forze «elettrodeboli» (che unificano le forze elettromagnetiche e le forze nucleari deboli). La terza è la forza gravitazionale, di gran lunga la meno intensa di tutte, e che comunque non influisce sui meccanismi che agiscono a livello nucleare.
Le forze forti ed elettrodeboli fissano le proprietà delle interazioni e mostrano l’esistenza di grandezze (quantizzate) e di regole (come quelle connesse per esempio con l’«operatore Parità» e con le Simmetrie), senza conoscere le quali non sarebbe possibile comprendere il mondo subnucleare e quello nucleare. Per produrre particelle dotate di massa occorre energia, che viene fornita dalla massa delle particelle collidenti e dalla loro energia cinetica. Più la particella è massiva, maggiore è l’energia necessaria. Questa è una delle ragioni per la quale si costruiscono acceleratori sempre più potenti. Un’altra ragione è connessa con l’idea, in parte smentita dai risultati, che andando a energie più alte si semplifichi lo studio del comportamento della materia, perché vengono a prevalere alcuni meccanismi fondamentali, sgombrando il campo da una selva di meccanismi di minore impatto.
La particella di Higgs e le particelle supersimmetriche
Il comportamento statico e dinamico delle particelle, e quindi le loro proprietà, sono abbastanza ben illustrate da un modello, il Modello Standard delle particelle. Secondo tale modello, tutte le particelle elementari si dividono in due gruppi: i «leptoni» e gli «adroni». I leptoni sono sei e interagiscono in modo elettrodebole; sono leptoni per esempio l’elettrone e il neutrino. Gli adroni sono più di duecento: fanno parte di essi il protone e il neutrone. Essi vengono prodotti mediante interazioni forti, mentre decadono mediante processi deboli o forti o elettromagnetici.
Gli adroni, a differenza dei leptoni, non sono elementari, ma sono costituiti da particelle puntiformi, i cosiddetti quarks, i quali sono sei, come i leptoni. Le dimensioni spaziali dei leptoni, e soprattutto dei quarks, fanno capire che la materia è «vuota», o meglio, è vuota di massa, ma è piena di forze. La compattezza della materia quando respinge la nostra mano, che cerca di affondarsi in essa, è dovuta alle forze che agiscono fra i suoi costituenti.
La bontà del modello standard è dimostrata anche dalla sua capacità predittiva. Tre dei sei quarks, e cioè: charms, beauty e top, con le loro caratteristiche, sono stati previsti dalla teoria e sono stati successivamente evidenziati dagli esperimenti.
Una delle teorie che fanno parte del Modello Standard ipotizza che esista una particella, chiamata Higgs dal nome del fisico che l’ha introdotta, la quale mediante un campo, chiamato appunto campo di Higgs, interagisca con le particelle (fatta eccezione del fotone), dando luogo alla formazione della loro massa. Tale particella dovrebbe essere molto massiva, con una massa non molto inferiore ai 154 GeV (circa 160 volte la massa del protone). Quindi per produrre tale particella, che potrebbe avere anche massa superiore a questo valore, in quantità sufficiente a studiarla, bisogna avere a disposizione molta energia.
Lo studio della particella di Higgs è uno degli scopi del collider LHC.
Peter Ware Higgs (1929 – ….) nel tunnel LHC
Un secondo scopo è lo studio delle particelle supersimmetriche. Gruppi di fisici teorici, negli ultimi trenta anni, hanno lavorato a una teoria globale, che potrebbe unificare in una sola forza tutte e tre le forze della natura, detta «teoria delle superstringhe». «Unificare» significa dimostrare che le tre forze sono in verità tre aspetti diversi di una sola forza. Tale teoria ipotizza l’esistenza di un mondo «supersimmetrico», rispetto a quello che conosciamo, fatto di materia supersimmetrica, con particelle elementari supersimmetriche rispetto a quelle sulle quali sperimentiamo. Queste particelle, che vengono chiamate con il nome delle particelle rispetto alle quali sono simmetriche, anteponendo a esso una s (le «sparticelle») sarebbero molto difficili da produrre e quindi si dovrebbe sperimentare su di esse a energie molto elevate. Questa teoria supersimmetrica, ancora in divenire, è certamente molto bella da un punto di vista matematico, ma per ora non ha ottenuto alcuna evidenza sperimentale, e quindi non può ancora essere considerata una teoria fisica. La produzione e lo studio delle sparticelle è un altro degli scopi principali della costruzione di LHC.
Ci sono poi delle teorie, che ipotizzano una connessione fra Materia Oscura e sparticelle. È noto che alcune osservazioni astrofisiche (come la velocità di rotazione delle Galassie, la velocità di avvicinamento di alcune Galassie fra di loro, le lenti gravitazionali, e altre ancora), indicano che la materia presente nell’Universo è molto maggiore, circa dieci volte superiore, a quella che emette radiazione o nello spettro ottico oppure in zone di frequenza diversa. Tale materia, che non emette radiazioni, è stata chiamata Materia Oscura (Dark Matter) proprio per questa mancanza di emissioni da parte di essa. Le ipotesi sulla natura della Materia Oscura sono varie. Una di esse ipotizza che la materia oscura sia costituita dalle sparticelle. Ma non si sa se le sparticelle esistano veramente né se esse siano i costituenti della Materia Oscura.
Per amore di completezza vorrei solo ricordare che, fino a qualche anno fa, si credeva che la materia dell’Universo fosse costituita per meno del 10% da materia emettente radiazioni, e per più del 90% da Materia Oscura. Ma dopo le osservazioni sul lontano Universo, che sembrano indicare che l’espansione dell’Universo stia accelerando, ora si fa l’ipotesi che esista nell’Universo un’enorme energia, sconosciuta, la quale sarebbe la responsabile di questo aumento di accelerazione. A questo punto si pensa che l’energia totale presente nell’Universo sia rappresentata per meno del 3% da materia emettente radiazioni, da circa il 27% da Materia Oscura, e da circa il 70% da questa energia, che viene chiamata «Energia Oscura».
Conclusioni
Il lettore non si meravigli della forma dubitativa della mia esposizione. Secondo il paradigma Galileiano della Fisica come Scienza della Natura, niente può essere accettato come vero se non viene suffragato dai dati sperimentali. E ancora, una teoria accettata può in ogni momento essere smentita o meglio, corretta, da nuovi risultati. Questa è la ricerca scientifica, ed è anche la forza della sua credibilità e della sua ridotta opinabilità. Per questa ragione, come ho esposto all’inizio, considero improprio l’atteggiamento utilizzato per propagandare LHC. La natura, per fortuna, ci riserva sempre delle sorprese inaspettate.
© Pubblicato sul n° 34 di EMMECIquadro
* Ordinario di Fisica Nucleare e Subnucleare all’Università degli Studi di Milano