Il Grande Collider Hadron: sbloccare i segreti più profondi dell’universo

Il Large Hadron Collider (LHC) è il microscopio più potente dell’umanità per la supervisione dei blocchi fondamentali della materia. Operato dal CERN vicino a Ginevra, Svizzera, questo anello di 27 chilometri di magneti superconduttori e l’accelerazione delle cavità è stato in collisione con particelle sempre più alte dal 2008.

L’impatto dell’LHC si estende ben oltre la fisica delle particelle, ha spinto l’innovazione in magneti superconduttori, criogenici e elaborazione dati su larga scala. La collaborazione globale di migliaia di scienziati e ingegneri di oltre 100 paesi è un modello di ricerca scientifica cooperativa.

Come funziona il LHC: una meraviglia dell'ingegneria

L'LHC è un collider, il che significa che accelera due travi di particelle in direzioni opposte e li distrugge insieme a quattro punti di interazione. La maggior parte delle volte i raggi sono protoni, ma per diverse settimane ogni anno, la macchina collide ioni di piombo per studiare plasma quark-gluon. Prima che le particelle entrino nell'anello principale, passano attraverso una catena di acceleratori più piccoli: un acceleratore lineare (Linac4) li

Per guidare e concentrare le particelle, l’LHC si basa su 1,232 magneti dipolo superconduttori, ciascuno di 15 metri di lunghezza, e 392 magneti di quadripolari. Questi magneti sono realizzati con cavi di titanio di niobio e devono essere raffreddati a 1.9 Kelvin—più vecchio dello spazio esterno—utilizzando corrente di sovraflusso 11.

Durante il funzionamento, ogni raggio contiene fino a 2.808 mazzi di protoni, ogni mazzo che tiene circa 100 miliardi di particelle. I grappoli sono spremuti ad una larghezza di circa 16 micron ai punti di collisione. Al massimo delle prestazioni, l'LHC offre quasi un miliardo di collisioni protonici che studiano flussi di dati essenziali per il secondo.

I quattro rilevatori di Flagship

Nei quattro punti di collisione intorno all'anello, i rivelatori di massa registrano i detriti di ogni collisione, ottimizzati per diversi obiettivi fisici, e insieme forniscono una visione completa delle interazioni delle particelle.

ATLAS: Il gigante di tutto il peso

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) è il rivelatore di particelle più grande mai costruito, misura 46 metri di lunghezza, 25 metri di diametro, e pesa 7000 tonnellate. È un rivelatore di uso generale progettato per catturare tutte le particelle visibili prodotte in collisioni.

CMS: Precisione in un pacchetto compatto

CMSH (Compact Muon Solenoid) condivide gli stessi obiettivi fisici di ATLAS ma utilizza un approccio tecnico diverso. Il centrotavola è un magnete a solenoide superconduttore 4 Tesla, lungo 13 metri e 6 metri di diametro, che produce un potente campo magnetico per piegare le traiettorie di particelle cariche.

ALICE: Studiare il Soup Primordiale

ALGP (Un grande Ion Collider Experiment) è progettato specificamente per collisioni di ioni pesanti. Quando i nuclei di piombo si scontrano alle energie di LHC, la densità di energia diventa così alta che protoni e neutroni “melt” in un plasma di quark e gluoni, il plasma di quark-gluon (QGP), questo stato di materia esisteva microsecondi dopo il Big Bang.

LHCb: Il Cacciatore di Bellezza

LHCb (Large Hadron Collider beauty) si concentra su particelle contenenti fondo (bellezza) e cavalletti di fascino. È progettato come uno spettrometro a braccio singolo avanti, coprendo la regione vicino alla linea del fascio, perché queste particelle sono prevalentemente prodotte a piccoli angoli. LHCb cerca di capire perché l'universo è fatto di materia piuttosto che antimateria studiando la violazione CP - l'asimmetria tra materia e anticorchia

Il Bosone di Higgs: Completare il Modello Standard

Il 4 luglio 2012, gli scienziati di ATLAS e CMS hanno annunciato la scoperta di una nuova particella coerente con il bosone di Higgs. Questa particella è l'eccitazione quantistica del campo Higgs, un campo che dà massa ad altre particelle elementari attraverso il meccanismo di Brout-Englebel-Higgs. Il boson di Higgs stesso ha una massa di circa 125 GeV/c2, decadifica in coppie di caricani di Wrtson, bons di boggson.

Il processo di scoperta è stato un problema. Sia ATLAS che CMS hanno cercato in modo indipendente gli Higgs in più canali di decadimento. I più promettenti sono il canale di difoton (H→γ) e il canale a quattro leptoni (H→ZZ*→4l). Combinando i dati dal 2011 al 2012, con le energie di collisione di 7 e 8 TeV, entrambi gli esperimenti hanno visto gli eccessi di eventi sopra di sfondo ad una massa intorno a 125 GeV.

Oltre gli Higgs: Grandi successi e sorprese

L’uscita scientifica del LHC si estende ben oltre gli Higgs, ogni esperimento ha contribuito a un corpo ricco e crescente di conoscenza.

Hadrons esotici: Nuove forme di materia

Prima del LHC, tutti i noti hadrons erano meson (quark-antiquark coppie) o barili (tre quark). Il Modello Standard permette di configurazioni più complesse, ma nessuno era stato definitivamente osservato. Nel 2014, LHCb ha annunciato la scoperta di uno stato pentaquark, una combinazione di quattro quark e un quark antiquark.

Quark-Gluon Plasma come un fluido perfetto

ALICE e gli altri esperimenti di heavy-ion hanno dimostrato che il plasma quark-gluon si comporta più come un liquido che un gas.

Ricerche per Dark Matter e Nuove Particelle

ATLAS e CMS hanno cercato di interagire con le particelle di massa (WIMP) attraverso le firme di energia trasversale mancanti, dove una particella invisibile sfugge al rivelatore. Non è stato visto alcun segnale convincente. Allo stesso modo, cerca la supersimmetria - una teoria che fornirebbe un candidato di materia oscura e risolverà molti problemi - hanno trovato risultati popolari.

Test di precisione del modello standard

ATLAS e CMS hanno misurato la massa della quark superiore a 0,3% di precisione, la massa boson W a 0,01% di precisione, e la massa boson Higgs boson a 0,1% di precisione. Queste misurazioni sono sensibili a cicli quantici contenenti ipotetiche nuove particelle.

Spin-off tecnologici dell'LHC

Le sfide ingegneristiche di LHC hanno portato a innovazioni che beneficiano della società. La tecnologia magnete superconduttiva, sviluppata per l’LHC, è ora utilizzata nelle macchine per la risonanza magnetica medicale (MRI) e nei sistemi di terapia delle particelle per il trattamento del cancro.

Il futuro: alta luminosità e oltre

LHC è ora nel suo terzo run (Run 3), colliding protons a 13.6 TeV e la raccolta di dati ad un tasso superiore che mai prima. Ma il vero salto verrà con l'High-Luminosity LHC (HL-LHC), in programma per iniziare il funzionamento intorno 2029.

Oltre la HL-LHC, il CERN sta studiando il Future Circular Collider (FCC), un nuovo anello con una circonferenza di 90–100 chilometri. La prima fase sarebbe un incrociatore elettrone-positro (FCC-ee) che funge da fabbrica di Higgs, producendo campioni puliti di bosons Higgs e misurando le loro proprietà con precisione squisita.

Conclusioni

Il Large Hadron Collider ha già riscritto i libri di testo della fisica delle particelle, ha confermato l’esistenza del campo Higgs, ha scoperto uno zoo di particelle esotiche, e ha dipinto un quadro dettagliato del plasma quark-gluon. Eppure ha anche approfondito il mistero di ciò che sta oltre il Modello Standard.