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Old 27-09-2008, 13:35   #1
killerqueen
Moderatrice di La Biblioteca di Alessandria
 
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LHC, questo sconosciuto!

Scrivo qui la spiegazione che il buon Gawain ha dato in questa occasione per chi avesse qualch dubbio su cosa faccia LHC

Buona lettura, e se avete dubbi, come sempre... chiedete


LHC (Large Hadron Collider) è il più grande acceleratore di particelle attualmente esistente (o quasi, ancora lo stanno ultimando ) al mondo. Un anello di 23 km di circonferenza (circa 9 di diametro), che accelererà protoni e nuclei pesanti fino ad arrivare al piombo (il più pesante nucleo universalmente stabile che esista).

Perchè lo stanno costruendo? Le risposte si trovano nell'ambito della cosiddetta "ricerca pura", ossia progetti mirati a scoprire e studiare fenomeni fisici per comprenderli o scoprirne delle prove sperimentali (questo nel caso in cui siano "previsti" ma mai effettivamente "visti"). La base è, come ovvio, una serie di costruzioni teoriche che la fisica delle particelle ha prodotto, e che chiedono di essere confermate sperimentalmente.
L'ambito di studio è precisamente relativo all'interazione nucleare forte, la più forte delle "forze" (scusate il gioco di parole) che possono esprimersi fra due particelle, e che è responsabile, ad esempio, del fatto che i quark sono legati insieme a formare protoni e neutroni, e che poi i protoni e neutroni sono legati assieme a formare nuclei atomici, nonostante le cariche positive a distanze così piccole tendano a respingersi intensissimamente (e quindi figuratevi quanto è grande la forza nucleare!).
Per studiare teoricamente questa interazione forte, al livello dei quark elementari, è necessario usare SIA la meccanica quantistica, SIA la teoria della relatività, in quella che si chiama "meccania quantistica relativistica", che è una teoria molto complicata. In qualche senso, essa utilizza concetti analoghi a quelli delle interazioni elettromagnetiche, e cerca di adattarli a questa nuova forza, con opportune differenze che nascono da una serie di proprietà particolari che questa forza ha e che la forza elettrica non ha, non mi dilungo molto su questo. Dico solo che come la forza elettrica è attribuita a delle "cariche" elettriche, che sono due (+ e -), anche questa forza nucleare ha le sue "cariche" che però sono tre, e siccome i fisici sono gente fantasiosa, le chiamano "colore" (rosso, verde, blu). Questo dà nome alla teoria di questa forza, che si chiama Quantum ChromoDynamics (cromo-dinamica quantistica) .
Ora, esiste un modello, chiamato Modello Standard, che finora è stato capace di spiegare tutte le manifestazioni sperimentali relative alla fisica delle particelle: quali particelle esistono, come si comportano i quark al loro interno, quanto durano, in cosa si trasformano, eccetera. Tuttavia si pongono delle domande che forse possono sembrare stupide, ma hanno importanza agli occhi dello scienziato che vuole definirsi padrone della teoria:
1) perchè le masse dei quark sono quelle che sono e non altre?
2) come si spiega la materia oscura dell'universo?
Esistono alcune proposte che potrebbero rispondere a queste domande. Alla domanda 1 risponde un meccanismo teorico previsto da un fisico teorico di nome Higgs. Secondo la sua teoria, che attualmente è accreditata, esiste una particella, chiamata "bosone di Higgs" che da sola permetterebbe di calcolare le masse dei quark come "conseguenza", senza che bisogni inserirle come veri e propri parametri del modello, e questo avvicina il modello ad una teoria più esatta.
Alla domanda 2 hanno provato a rispondere in tanti, ma una teoria molto di moda è quella della "super-simmetria" che prevede l'esistenza di una intera categoria di particelle che costituisce una specie di mondo alternativo a quelle che noi conosciamo e con le quali possiamo interagire.
LHC dovrebbe consentire di produrre in laboratorio questo bosone di Higgs e queste particelle "super-simmetriche".

Poi c'è un'altra questione, che è quella di cui mi occupo io. Normalmente, la QuantoCromoDinamica prevede, fra l'altro, che i quark non se ne possono andare a spasso da soli, perchè l'interazione fra i quark è così forte che non succede. Infatti, la teoria della relatività insegna che se in un punto dello spazio si addensa tanta, ma tanta energia, in quel punto si può convertire in massa (sapete, E = mc2 ?), ossia se aggrumi tanta energia in un punto, "appaiono" delle particelle (precisamente, una particella e la sua anti-particella, spero questo non sia un concetto difficile). Allora, se noi tiriamo via un quark, è come se tendessimo una molla, e via via che si allontana, si accumula energia, e così si producono altri quark che si legano a quello che stavamo portando via, oppure all'agglomerato da cui lo stavamo strappando. E siccome questa "molla" si tende moltissimo con una trazione anche piccola, succede che di fatto il quark da solo non ce la facciamo a farcelo stare, perchè lui di continuo si fa dei "figlioletti" che gli si appiccicano, formando particelle come quelle ordinarie (che si chiamano "adroni", dal greco, che significa "pesanti"). Allora i fisici teorici si sono masturbati il cervello e hanno pensato: ma se noi riscaldiamo sta materia di quark a valori incredibili, sta cosa continua a valere? E i loro modelli hanno risposto di no. Ebbene sì: a temperature estremamente elevate, gli adroni "fondono" e i quark se ne vanno a spasso ognuno per conto suo, ma attenzione: stanno sempre a zonzo in un volume abbastanza piccolino, come se fossero particelle di vapore. E, similmente al vapore, piano piano sta palla si espande. Come sapete, quando una palla di vapore si espande da sola, alla fine condensa in goccioline: ebbene, qui succede lo stesso: quando sta massa di quark liberi si raffredda, loro si tornano a legare e a riformare gli adroni di cui parlavo prima. Quello che nel frattempo è successo è che, nello stato di "libero passeggio" (che in effetti si chiama QGP, Plasma di Quark e Gluoni), il sistema si è molto disordinato, e sono successe una serie di fenomeni "collettivi" che poi si ripercuotono sulle caratteristiche dell'insieme di particelle che vengono fuori quando sto QGP si è raffreddato. Tutti questi fenomeni vengono chiamati "signatures" del QGP (in parole povere, "firme"). Scopo del mio esperimento è studiare collisioni di nuclei molto pesanti, in modo che, sbattendo, scaldino la materia del nucleo fino a produrre questa "evaporazione" e si formi sto QGP. Col nostro aggeggio studieremo tutto quello che viene fuori da questa collisione, sperando di riuscire a sgamare tutte le possibili "firme" che si manifestino, in modo da poter dire se questa poltiglia si è formata davvero o meno, ed eventulamente, studiarne le caratteristiche (velocità di espansione, temperatura, durata nel tempo, eccetera).

Come è chiaro, questi esperimenti, e l'acceleratore che li consente, hanno come scopo primario l'acquisizione di una conoscenza che serve a rendere più consistente ed esatta la teoria delle interazioni forti, ed esplorare nuovi regimi energetici mai prima studiati. Un po' come una sonda inviata su un pianeta sconosciuto o una spedizione che analizza una fossa oceanica mai vista. Lo scopo è imparare qualcosa. In prima analisi, non ci si pone la domanda: "questa cosa a che cosa di pratico potrà servire?" Ma magari anche perchè questo genere di applicazioni saranno trovate nel futuro, chissà. Del resto, le leggi dell'elettromagnetismo furono scoperte fini a se stesse un po' prima che Marconi ne facesse il suo mirabile uso, e che venisse inventato il radar.
Invece, il vantaggio immediato è per le industrie che fanno una scommessa e investono nello sviluppo di tutti i dispositivi che servono a far funzionare LHC e gli esperimenti che si son montati su di esso. Infatti, le richieste di affidabilità, funzionalità, precisione, miniaturizzazione che la comunità scientifica pone ai produttori di questi dispositivi comportano alle industrie un grosso lavoro di ricerca e sviluppo, ma i risultati sono l'acquisizione di abilità e la produzione di tecnologie che poi esse si potranno vendere con ottimo profitto nei loro prodotti commerciali, e che forse mai avrebbero fatto senza lo stimolo della ricerca avanzata.

Questione buchi neri: ho visto, in 8 anni di attività di ricerca attorno ad ALICE e LHC, solo UNA presentazione in cui si sono menzionati "buchi neri", e tale locuzione è usata in senso molto lato (cioè non si intendevano i veri e propri buchi neri astrofisici, ma oggetti che ne condividono alcuni comportamenti, ma su una scala particellare, quindi assolutamente non pericolosa). Sfortunatamente, due fessi delle Hawaii, anzichè suonarsi l'ukulele hanno deciso di intentare causa alle autorità americane paventando chissà quali pericoli alla terra a causa delle collisioni che produrremo.
In questo sono ottimista: gli stessi due fessacchiotti hanno tentato di far lo stesso molto tempo fa, quando partì l'acceleratore RHIC che era orientato a studi analoghi ad energie di circa 1/10 più basse. A quel tempo, la loro protesta finì in niente (ed eravamo in america), quindi...
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...Voglia di Scienza?
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