Transcript relazione sul Cern

Volpe Perla IV L 19/05/2014
RELAZIONE SUL VIAGGIO D'ISTRUZIONE AL CERN
Lo scorso 2 Maggio 2014 noi studenti del Liceo Scientifico della classe quarta, abbiamo visitato il
laboratorio del Cern a Ginevra, dove gli scienziati collaborano per studiare i costituenti
fondamentali della materia e le forze che li tengono insieme. Durante le lezioni che hanno preceduto
la visita, in fisica abbiamo studiato che lo sviluppo degli acceleratori di particelle che si trovano al
Cern, ovvero dispositivi che solitamente hanno una forma circolare, ha avuto inizio circa ottanta
anni fa. Inizialmente li si usava per studiare la materia, ovvero le particelle veloci venivano
accelerate e poi indirizzate contro un bersaglio, per esempio un piccolo pezzo di metallo.
Osservando i prodotti dell’urto si ottenevano informazioni sulla struttura dei nuclei atomici della
materia bombardata, come ci mostra l'esperienza di Ernest Rutherford nel1919. Successivamente
l’attenzione dei fisici si è rivolta alle nuove particelle prodotte nell’urto tra una particella veloce e
un nucleo atomico. Infatti l’energia si può trasformare in massa, come previsto dalla relazione
E = mc2 scoperta da Einstein, e l’energia liberata nella collisione dà spesso luogo alla creazione di
particelle che prima non esistevano. Queste particelle instabili , che sopravvivono per meno di un
milionesimo di secondo dopo l’urto, non si trovano però nella materia di cui è fatto il mondo
intorno a noi. In un acceleratore le collisioni permettono di creare nuove particelle a patto che
queste abbiano massa inferiore all’energia complessiva delle particelle che collidono.
Se si usa un acceleratore più potente, si può osservare la creazione e il decadimento di particelle che
nell’universo primordiale esistevano quando la temperatura era più alta.
Le prime collisioni avvenivano liberando energie dell’ordine di 109 ed elettronvolt. Oggi sappiamo
che queste energie erano caratteristiche delle collisioni che accadevano un decimillesimo di
milionesimo di secondo dopo il Big Bang.
Nel 1895 Rӧntgen iniziò una serie di esperimenti nei quali un fascetto di elettroni, accelerato da un
potenziale di circa 20.000 volt in un tubo di vetro vuotato dell’aria, colpiva il fondo del recipiente,
coperto all’esterno da un cartoncino nero. Nell’oscurità Rӧntgen osservò per caso un luccichio
provenire da un banco a un metro di distanza, dove era posato un foglio fluorescente di platinocianuro di bario; sul foglio appariva una fievole luminescenza ogni volta gli elettroni venivano
accelerati.
Dopo alcune prove Rӧntgen concluse che una radiazione sconosciuta, capace di attraversare il
cartoncino nero, veniva emessa nel punto in cui gli elettroni colpivano il vetro. Questi “raggi X”
attraversavano un blocco di legno e venivano fermati da uno spessore di 15 millimetri di piombo,
producendo su una lastra fotografica un’immagine mai vista prima.
Nel 1895 l’apparato sperimentale di Rӧntgen era già in uso, ma lui fu il primo a usare lo strumento
come acceleratore di particelle, in quanto aveva scoperto che gli elettroni accelerati, quando
colpivano gli atomi del vetro, creavano una radiazione sino ad allora sconosciuta.
Si capì poi che questa radiazione era costituita da pacchetti di energia elettromagnetica, simili ai
fotoni della luce visibile ma, mille volte più energetici che penetravano nella materia e per questo
furono immediatamente utilizzati per la diagnostica e per la terapia dei tumori.
Avendo appreso tutte queste nozioni, lo scopo della nostra visita era vedere innanzitutto da vicino le
parti che compongono l'acceleratore, approfondire ed ampliare le nostre conoscenze direttamente
con coloro che lavorano al Cern.
Ad accoglierci al nostro arrivo è stato il signor Mirko Casolino che ci ha accompagnati in una delle
sale riunione della struttura, dove ci ha illustrato e spiegato le origini del Cern e le sue funzioni.
Il Cern è il centro europeo della ricerca nucleare fondato nel 1954 da 12 Stati membri europei, il cui
statuto non doveva avere alcun tipo di rapporto in campo militare. Esso è composto al suo interno
da ben 4000 direttamente stipendiati, ovvero impiegati quali ricercatori, studenti amministrativi e
tecnici; oltre ad essi vi sono 11000 users, ovvero coloro che da differenti università vengono a
lavorare al Cern, per un totale di 1 miliardo di Euro spesi l'anno.
Lo statuto di questo laboratorio è formato da 4 missioni: ricerca e scoperta, che ampliano i limiti
della nostra conoscenza; tecnologia e innovazione, che derivano dalle scoperte; educazione e
trasferimento della conoscenza, poiché direttamente qui si formano gli ingegneri e gli scienziati del
domani e per finire collaborazione e diversità, in quanto vengono accolti studenti provenienti da
qualsiasi parte del mondo. In realtà però la vera missione del Cern è trovare delle risposte a
domande millenarie: di che cosa siamo fatti? Da dove veniamo?
Dalle varie scoperte scientifiche si è appreso che la nostra capacità di comprensione dell'Universo
che ci contiene appartiene ad una piccola percentuale del 4%, e il restante 96%?
Per studiare la materia che compone l'Universo e le forze che lo regolano, i fisici si servono di
speciali strumenti definiti acceleratori di particelle, macchine che accelerano i fasci di particelle fino
a farli collidere l'uno contro l'altro oppure contro un bersaglio. Nelle collisioni l'energia utilizzata ha
un valore elevato e questo permette di ricreare in laboratorio condizioni simili a quelle esistenti
pochi istanti dopo l'esplosione del Big Bang. Tra le prime risposte ottenute durante questo percorso
a ritroso c'è stata quella che potremmo considerare per noi la principale: di cosa siamo fatti?
La risposta più elementare è di particelle, parti più piccole degli stessi atomi. I principali tipi di
particelle che ci compongono sono: elettroni, neutroni e protoni; a loro volta protoni e neutroni
contengono al loro interno dodici tipi di quark. In realtà la materia non è formata solo da questi tre
tipi di particelle, bensì da altri costituenti fondamentali: neutrini elettronici, quark up, quark down,
muone, neutrino muonico, charm e strange, rispettivamente in ordine di grandezza.
Per far evolvere l'Universo queste particelle vengono legate tra loro per mezzo di alcune leggi, le
quattro forze elementari, ovvero la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza debole,
spiegata per la prima volta da Enrico Fermi, che illustra i decadimenti radioattivi come quello del
neutrone, ed infine la forza forte, che tiene insieme il protone.
Queste forze non sono altro che particelle, in quanto due particelle sono uno scambio di forza e
vengono chiamate bosoni, ad esempio il fotone è il bosone della forza elettromagnetica, il gluone
appartiene alla forza forte, il bosone vettore W e Z per la forza debole e si idealizza il gravitone per
la forza gravitazionale, ma quest'ultimo non è ancora stato scoperto.
A queste dodici particelle poi corrispondono altrettante particelle che hanno carica opposta,
chiamate antiparticelle, che unite formano il modello standard, ad esempio l'antiparticella
dell'elettrone (carica negativa) è il positrone che avrà carica positiva.
Questo modello standard funziona se le particelle in questione non possiedono una massa, ovvero la
resistenza che un corpo pone per essere accelerato. Se consideriamo la legge della relatività di
Einstein, i corpi senza una massa non possono essere accelerati all'infinito quindi hanno un limite di
velocità, ovvero la velocità della luce, e i corpi senza massa devono muoversi proprio a questa
velocità. Ma se noi per Einstein dobbiamo muoverci fino alla velocità della luce, come facciamo a
stare seduti comodamente su una sedia? Ciò significa che nel modello standard c'è un problema di
fondo.
Questo problema fu risolto successivamente da Peter Higgs nel 1964, che riuscì a spiegare come
queste particelle acquisivano una massa, introducendo il concetto di bosone di Higgs, che però
venne scoperto solo nel 2012. Il bosone di Higgs è una particella molto pesante che interagisce con
il suo campo elettrico che a sua volta deforma lo spazio attorno e quando le particelle lo
attraversano, sentono la sua presenza e quindi interagiscono di meno.
Il bosone permea l'universo e il suo campo è sempre presente in esso, permettendo alle particelle di
acquisire una massa.
Se noi uniamo tutte queste particelle che formano la materia, esse compongono il 4% dell'universo.
Il restante è formato dalla materia oscura (dark matter) che occupa il 23% e dall'energia oscura
(dark energy) che occupa il 73%, che è il motore che accelera l'universo.
L'acceleratore di particelle che vi è al Cern è l' LHC (Large Handron Collider), installato in un
tunnel di 27km di circonferenza e situato circa 100m sottoterra ed è composto da ben 1300 magneti
superconduttori. Questo produce collisioni frontali tra due fasci di particelle dello stesso tipo,
protoni o ioni di piombo. Questi fasci vengono preparati nella catena di acceleratori del Cern, prima
di essere iniettati in LHC, dove circolano in un vuoto paragonabile a quello dello spazio
intergalattico. I due fasci sono guidati da magneti superconduttori raffreddati a temperature molto
basse, ed ognuno di essi è formato da circa 3000 pacchetti di particelle, che a loro volta contengono
almeno 100 miliardi di particelle. Il compito di questi magneti è far curvare i protoni che si trovano
nel campo elettrico mediante la forza di Lorentz.
Grazie a quattro rivelatori di particelle , ALICE, ATLAS, CMS e LHCb, si possono osservare queste
collisioni, che vengono fotografate da queste apposite macchine e successivamente analizzate.
L'energia massima di un protone in LHC è pari a 7 TeV; questa energia viene presa e trasformata in
massa mediante la legge di Einstein.
Dopo aver lasciato la sala, ci hanno condotti a visitare la stanza principale di controllo dell'LHC e ci
hanno mostrato un video che ritraeva il campo magnetico e le varie particelle che venivano deviate:
gli elettroni a destra, i protoni al centro ecc..
Successivamente siamo stati divisi in gruppi e il signor Francesco ci ha condotti in un'altra stanza
dove ci ha mostrato un video in 3D, che illustrava il lavoro dell'acceleratore nel dettaglio, la sua
posizione (tra Francia e Svizzera) e immagini inerenti.
La visita concreta è iniziata quando siamo stati portati a visitare ATLAS, perchè oltre ad una breve
introduzione, il signor Gianluca ci ha fatto vedere realmente i pezzi che compongono l'acceleratore,
le parti interne che ad occhio nudo non si possono vedere. Ci ha mostrato inoltre i tubi in cui
avviene la collisione, la posizione dei superconduttori e la macchina con cui vengono brevettati i
vari pezzi che poi verranno assemblati. Ci ha spiegato che in questo momento l'acceleratore non è in
funzione e sarà fermo per ben due anni, nei quali verranno sostituiti i pezzi che non funzionano
bene, verranno aggiustate le saldature e verranno controllate tutte le macchine affinchè tra due anni
non ci siano incidenti di percorso.
Personalmente credo che questa sia stata una delle visite più interessanti, specialmente perchè non ti
offre solo una preparazione a livello teorico, ma le guide ti mostrano concretamente ciò che hai
sempre solo studiato. È molto affascinante vedere da vicino queste macchine che hanno permesso di
scoprire le origini dell'uomo e dell'Universo. Inoltre credo che chiunque visiterà questo laboratorio
ne rimarrà talmente affascinato che il suo approccio con la fisica sarà ben diverso, perchè a
chiunque verrebbe voglia di lavorare lì.