Visita al Cern – Alla scoperta del microcosmo

 

Mercoledì 4 Aprile 2018 – Ginevra

Mi trovo all’Organizzazione Europea per la ricerca Nucleare (CERN), un centro di eccellenza scientifica mondiale che non ha bisogno di presentazione. Qui, insieme alla mia famiglia, incontro Paolo Bartalini, un amico che ci accompagnerà alla scoperta delle meraviglie della fisica delle particelle.

La prima domanda, che gli avevo fatto ancora prima di vederci, è la più ovvia.

A cosa serve il CERN?

La risposta provocatoria di Paolo era stata

A niente!

E la ribadisce sorridendo, mentre pasteggiamo alla mensa del ristorante uno, un posto incredibile dove facilmente ti può capitare di sedere accanto a un premio Nobel. Dopo una breve pausa inizia a spiegare:

Le ricerche del CERN sono molteplici, quelle principali attengono al progresso della conoscenza della materia e delle interazioni dell’Universo. Risponde a un bisogno che l’uomo ha sempre avuto e che non serve giustificare da un punto di vista applicativo, nondimeno le applicazioni di questa conoscenza ci saranno eccome, solo che è troppo presto anche solo per poterle immaginare. Allo stesso tempo il progresso tecnologico necessario per lo sviluppo degli strumenti di ricerca, già nell’immediato, ha innumerevoli ricadute nella vita di tutti noi, ad esempio il World Wide Web, introdotto dal CERN per scopi scientifici e affermatosi a livello mondiale come protocollo di navigazione sulla rete internet”.

A questo punto sicuramente qualcuno resterà interdetto. Cosa si studia al CERN allora?

Si studiano le particelle elementari e le loro interazioni, ovvero i costituenti della materia.

L’atomo è stato a lungo considerato indivisibile e deve addirittura il proprio nome a questo pregiudizio. Ora sappiamo bene che è fatto di un nucleo e da elettroni. Il nucleo è a sua volta fatto da nucleoni (protoni e neutroni) e questi ultimi sono fatti da tre quarks della prima famiglia (up e down). Per fare il nostro mondo, come lo conosciamo, basterebbero i quark up e down e gli elettroni, nonché la particella di luce, il fotone, che “mette in comunicazione” le particelle cariche. Eppure le particelle elementari sembrano essere molte di più: perché? È questa una delle domande a cui si cerca di dare una risposta al CERN.

Il Modello Standard delle interazioni fondamentali (SM), che descrive in modo molto accurato i risultati sperimentali, contempla 3 repliche di elettrone + relativo neutrino e 3 repliche della famiglia di quark up-down. Queste repliche sono caratterizzate da masse più alte e dall’essere instabili, per il resto si comportano esattamente come la prima famiglia.

Ad esempio tra le repliche troviamo il Muone, particella scoperta nel 1936 da Carl David Anderson studiando raggi cosmici. Il muone ha una massa di circa 200 volte quella dell’elettrone ma è in tutto e per tutto equivalente a quest’ultimo in termini di interazioni fondamentali. Tra i quark ne troviamo uno che ha perfino una massa di circa 200 volte rispetto a quella del del protone! Quindi molto più grande di quella dei quark up e down che si trovano appunto all’interno del protone. Il Top Quark è stato scoperto nel 1995 dagli esperimenti CDF e DØ al laboratorio Fermilab situato presso Chicago, negli USA.

Nel Modello Standard, le particelle che costituiscono la materia hanno spin semi-intero e sono dette “Fermioni”, poiché seguono la statistica di Fermi. Sicuramente in molti ricorderanno dai propri studi della scuola secondaria come si popolano gli orbitali atomici: se vogliamo mettere un secondo elettrone in un orbitale già popolato da un altro elettrone allora non abbiamo altra scelta che cambiare il suo stato di spin. Questo riflette il fatto che i fermioni non condividono molto volentieri lo stesso stato.

Di converso, le particelle responsabili delle forze hanno spin intero e sono dette Bosoni, poiché seguono la statistica di Bose-Einstain. I bosoni, al contrario dei fermioni, condividono molto volentieri il medesimo stato e questo – in buona sostanza – è alla base dei fenomeni ondulatori. Tra queste particelle troviamo il fotone, la “particella di luce” responsabile della forza elettromagnetica, ma anche le particelle W±, e Z, la cui osservazione – a suo tempo – è valsa il Nobel a Carlo Rubbia. Al contrario del fotone, queste particelle sono dotate di massa (circa 100 volte la massa del protone) e sono anche dette “luce pesante”. Infatti, nel contesto del Modello Standard, la forza elettromagnetica è unificata a quella “debole” di cui sono responsabile queste particelle massicce. Tra i mediatori delle forze troviamo infine un’altra particella priva di massa, il gluone (da “glue”, colla), chè letteralmente – tra le altre cose – tiene insieme il nucleo atomico (altrimenti come farebbero a stare insieme molti protoni, che, essendo carichi positivamente, tenderebbero a respingersi reciprocamente?)

I quark, oltre ad essere carichi elettricamente, sono dotati di un ulteriore numero quantico, la così detta di carica “colore” che può assumere tre valori diversi (red, green, blue); sostanzialmente i quark comunicano tra di loro  scambiandosi continuamente gluoni, ovvero cariche di colore. Ovviamente non bisogna pensare a queste cariche come colori veri e propri ma come un analogo della teoria dei colori primari. Tutte le particelle composte da quark sono neutre dal punto di vista del colore. Ad esempio i due quark up e il quark down presenti nel protone si troveranno necessariamente in tre stati di colore diversi. È da notare che la maggior parte della massa nei nucleoni proviene dall’energia del campo gluonico che tiene insieme i quark, e non dalle masse dei quark stessi.

Ma il Modello Standard, che abbiamo fin qui descritto, è solo la teoria più essenziale. Vi sono molte cose non spiegate, ad esempio i rapporti tra le masse delle particelle, anche se l’origine delle masse è identificata nell’interazione con il Bosone di Higgs, la cui scoperta è stata annunciata proprio al CERN nell’anno 2012.

La forza più sfuggente è proprio la prima di cui abbiamo avuto esperienza, ovvero quella gravitazionale. Che cos’è il gravitone, il responsabile della forza gravitazionale, appunto, e come si relazione a questo quadro? Progressi relativamente alla sua osservazine sono stati fatti recentemente dagli esperimenti LIGO (negli USA) e VIRGO (a Cascina, vicino a Pisa).

Per costruire un quadro completo potrebbero essere necessarie particelle così dette supersimmetriche, in cui lo schema materia = fermioni e interazioni = bosoni è completamente rovesciato. Nonostante un ricchissimo programma di ricerca dedicato dagli esperimenti del CERN alle particelle supersimmetriche, queste ultime non sono state osservate, probabilmente il quadro completo è quindi da ricercare altrove.

Molte delle problematiche aperte sono comuni tra la Cosmologia e la fisica delle particelle. Ad esempio: che cosa è la materia oscura teorizzata per rendere conto dell’andamento delle velocità rotazionali delle stelle all’interno delle proprie galassie? Per risolvere questo problema potrebbe essere necessario esplorare ulteriori dimensioni oltre a quelle che già conosciamo. Forse alcune di queste dimensioni sono piccolissime (non è necessario che tutte le dimensioni abbiano estensione infinita), per questo motivo fatichiamo a vederle. La ricerca delle extra-dimensions è senz’altro uno dei capi-saldi del programma di fisica del CERN.

Insomma come potete vedere si potrebbe non finire mai. C’è veramente un microcosmo dentro di noi e non solo dentro di noi.

Attualmente al CERN vi sono diversi esperimenti attivi, ognuno con un team di scienziati.

I più grandi (in termini di collaboratori attivi) sono quelli del Large Hadron Collider (LHC), vale a dire ATLAS, CMS, LHCb, e ALICE. In quest’ultimo lavora appunto Paolo.

All’LHC sono anche esperimenti più piccoli, come TOTEM.

Proviamo a raccontarvi qualcosa.

ATLAS, A Toroidal LHC ApparatuS, e CMS, Compact Muon Solenoid sono rilevatori di particelle concepiti per un ampio spettro di ricerche Quando i fasci di protoni accelerati dal Large Hadron Collider interagiscono al centro del rivelatore, dall’interazione tra due protoni può essere prodotta una grande varietà di particelle di masse anche molto superiori a quella del protone, in questi eventi si ha quindi trasformazione di energia in massa, secondo la nota relazione di Einstein E = Sigma_i (M_i) C^2, dove ci siamo giusto permessi di introdurre una somma su tutte le particelle i che compongono lo stato finale dell’evento. Bosone di Higgs, particelle supersimmetriche etc. sono ricercate in questi stati finali e vi sono innumerevoli altri studi che sono condotti allo stesso tempo, ad esempio la ricerca delle extra-dimensions. Delle particelle si studia la traiettoria con i rivelatori di tracciatura e l’energia con i calorimetri.

Atlas e CMS sono stati accorpati insieme perchè, pur usando tecnologie diverse, usano lo stesso programma di fisica.

Potete trovare informazioni più dettagliate in questo video

ALICE, A Large Ion Collider Experiment, è un rilevatore di particelle del tutto simile a quelli di cui sopra ma specializzato per lo studio delle interazioni tra nuclei ad altissima energia, che sono ritenute dar luogo a una fase estrema della materia, chiamata quark-gluon plasma. Pochi istanti dopo il Big-Bang (avvenuto circa 14 miliardi di anni fa) questa era lo stato della materia più comune nel nostro universo, soltanto dopo quark e gluoni, raffreddandosi, si sono organizzati in strutture di particelle come le conosciamo adesso (protoni, neutroni, etc.), dando luogo – in prospettiva – a tutto ciò che vediamo intorno a noi – dalle stelle e dalle galassie, alla Terra e tutta la vita che supporta.

 

Le proprietà del quark-glun plasma sono questioni chiave per la comprensione della Cromo Dinamica Quantistica (QCD), ad esempio per comprendere appunto come quark “liberi” a più basse energie si riorganizzino in particelle (confinamento)

LHCb, Large Hadron Collider Beauty Experiment, è un esperimento che si focalizza sullo studio delle simmetrie della materia, in particolare attraverso lo studio delle caratteristiche del quark beauty.

Dopo avervi presentato, sommariamente, questi esperimenti, vorrei spiegare una piccola differenza tra i fisici presenti al CERN.

Vi sono coloro che lavorano agli esperimenti sugli acceleratori, come Paolo, che fanno un lavoro più alla “ribalta”, nel senso che è il loro lavoro ad essere premiato e citato di più, poi ci sono i fisici che fanno un lavoro complementare al loro lavoro, quelli che studiano la fisica dell’acceleratore, lo studio del moto del fascio di particelle attraverso la macchina, il controllo e la manipolazione del fascio, l’interazione con la macchina stessa e le misurazioni dei vari parametri associati ai fasci di particelle. Lavoro di “sottobosco” e complementare ma essenziale per gli esperimenti.

Il CERN fu  introdotto negli anni 50 dall’UNESCO principalmente come opportunità di collaborazione tra scienziati sovietici e statunitensi Pur non essendo Russia e Usa stati membri, al CERN vi è un numero enorme di scienziati di queste nazioni.

Indovinate qual è una delle compagini più numerose? Gli italiani. Ebbene sì, oltre alla direttrice Fabiola Gianotti,  che lavora nell’esperimento ATLAS e oltre a Paolo, vi sono tantissimi altri italiani al CERN. Tutti molto apprezzati.

Ed è la nostra vituperata istruzione, come mi ha fatto notare il mio amico “che permette di scegliere tardi e non troppo presto la propria vocazione. La base umanistica è essenziale. Molti dei miei colleghi hanno fatto il classico, io no.”

A proposito di utilizzi di quanto si studia al CERN, fu proprio lì che nacque il Il World Wide Web (letteralmente “rete di grandezza mondiale”), abbreviato Web, sigla WWW o W3, è uno dei principali servizi di Internet, che permette di navigare e usufruire di un insieme molto vasto di contenuti amatoriali e professionali (multimediali e non) collegati tra loro attraverso legami (link), e di ulteriori servizi accessibili a tutti o ad una parte selezionata degli utenti di Internet. Questa facile reperibilità di informazioni è resa possibile, oltre che dai protocolli di rete, anche dalla presenza, diffusione, facilità d’uso ed efficienza dei motori di ricerca e dei web browser in un modello di architettura di rete definito client-server.

Il Web fu prima creato e utilizzato al Cern e poi reso pubblico, ora al CERN si usa il Grid computing. Il sistem GRID è un’infrastruttura di calcolo distribuito, utilizzata per l’elaborazione di grandi quantità di dati, mediante l’uso di una vasta quantità di risorse sparse per tutto il mondo. In particolare, tali sistemi permettono la condivisione coordinata di risorse all’interno di un’organizzazione virtuale. E’ il modello di come sarà il computer nel futuro.

I rilevatori di particelle sono anche i prototipi dei futuri strumenti di radio-diagnostica. I rivelatori sono specializzati: alcuni (rivelatori di tracciatura) misurano la posizione (e da varie misure di posizione, eventualmente) le traiettorie, altri misurano l’energia (calorimetri), altri ancora danno (indirettamente) informazioni sull’identità delle particelle. Prendiamo il primo tipo di rivelatore, quello che misura posizioni di particelle. Il progresso nell’area specifica permette di farlo con risoluzioni sempre più precise, per molte particelle alla volta e con pochissima energia rilasciata per ciascuna di esse. Da lì ad immaginare l’impiego in radio-diagnostica il passaggio è breve. Un rivelatore a pixel di silicio, ad esempio, dove l’integrazione dell’elettronica al rivelatore è portata agli estremi (tutto è fatto di silicio) potrebbe già tranquillamente sostituire le lastre fotografiche e in realtà già lo fa nelle nostre telecamere e macchine fotografiche. I ccd (vedi pagina wikipedia), infatti, derivano direttamente dalla tecnologia dei rivelatori al silicio. Portare su larga scala una conversione di questo tipo è solo questione di costi e di tempi. La produzione su larga scala riduce notevolmente i costi, così come è già avvenuto nell’ambito delle macchine fotografiche e telecamere digitali.

Notare che questo è solo un esempio di tale processo. TUTTI gli apparati di radio-diagnostica di cui disponiamo sono in primo luogo un rivelatore di particelle e sono stati introdotti dapprima a scopi scientifici.” dice Paolo

Ad esempio vi è uno strumento che usa in modo sostanziale le anti-particelle (La PET, o Tomografia a Emissione di Positoni, dove questi ultimi altro non sono che le anti-particelle dell’elettrone). La fisica delle particelle si spinge oltre la diagnostica e si estende in modo sostanziale anche nell’ambito della terapia, per esempio la adro-terapia, o terapia basata su “adroni”. Gli adroni altro non sono che particelle costituite da quark. Un protone è un adrone ma, ovviamente, ce ne sono molti altri. L’adroterapia, si traduce in moltissimi progetti che sono già diffusi per il mondo, alcuni dei quali hanno l’appoggio diretto del CERN. Vi sono già pazienti trattati con adroterapia. Il vantaggio dell’adroterapia è la possibilità di focalizzare i fasci di adroni per bombardare strutture (tumori) piccole e molto profonde, altrimenti inattaccabili con altre tecnologie.

Paolo sottolinea ancora:

Di nuovo, questi sono solo esempi di notevoli ricadute tecnologiche della ricerca scientifica di base. Del  Web e di altre che diamo largamente per scontate ormai neanche più ci rendiamo conto. Se si sono imposte nella nostra vita dipende anche dal fatto che il frutto della ricerca scientifica non ha prezzo (letteralmente) perché è già finanziato dai cittadini… se al Web fosse arrivata per prima una compagnia privata le cose sarebbero andate ben diversamente. ti lascio quindi con questa riflessione, sui sotto-prodotti della ricerca scientifica che sono preziosi, perché stanno alla base della società civile in tutti gli ambiti, dall’informazione alla medicina, eppure sono anche concessi liberamente, senza specifici brevetti. Una compagnia può brevettare una particolare macchina in radio-diagnostica ma non può brevettare l’idea che sta alla base, che è di tutti, attiene appunto al lavoro che si fa al CERN e in altri laboratori di ricerca fondamentale.

Anche questo è un tema che varrebbe la pena approfondire, magari in un altro articolo, e che ci rimanda a riflessioni ulteriori con risvolti etici ed economici: fino a che punto può intervenire il privato in un ambito così prezioso per la salute dei cittadini?

Vorrei lasciarvi con le parole di Paolo:

Senza un progresso nella conoscenza non si possono neanche immaginare cose migliori.”

Cern Sito ufficiale

 

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Silvia Azzaroli

Sono una scrittrice perché quando scrivo mi sento viva e posso visitare nuovi mondi e nuove terre.
Amo la fantascienza, che per me è il genere per eccellenza ma apprezzo anche i noir, i romanzi storici e il fantasy;
Amo il cinema la cosidetta settima arte: Star Wars, Prima dell'Alba, Blade Runner, Lost in Translation, Her, Marie Antoinette, Pane e Tulipani, Gattaca, Incontri Ravvicinati del Terzo Tipo, Lady Hawke, Eternal Sunshine of Spotless Mind, Love Actually, Leon, Il signore degli anelli, La storia fantastica, Grand Budapest Hotel, Picnic ad Hanging Rock, Fino alla fine del mondo, il cielo sopra Berlino, Marie Antoinette, Arrival, l'Erba di Grace,
Le serie tv: in particolare Fringe, Twin Peaks, X-Files, Person of Interest, Doctor Who, The Expanse, 12 Monkeys, Broadchurch, Peaky Blinders, E.R., Friends, Quantum Leap, Battlestar Galactica;
la letteratura: Daniel Pennac, Jane Austen, Banana Yoshimoto, Ray Bradbury, Isaac Asimov, Robert Heinlein, Arthur Clarke, Agatha Christie, Paolo Rumiz, Baudelaire, Ungaretti, Manzoni, Petrarca, Marcela Serrano, Tolkien, Robert Silverberg, Daniel Pennac, Leigh Brackett, Murakami e molti altri;
i mici, la musica, il tennis (King Roger Federer), la pallavolo(indimenticabile la nazionale di Velasco, Bernardi, Zorzi, ecc), il pattinaggio e molto altro.

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