LHC, diciotto anni dal primo fascio : osservare l’invisibile attraverso le collisioni

Il 10 settembre 2008 un fascio di protoni percorse per la prima volta l’intero anello del Large Hadron Collider – LHC

L’inizio di una nuova stagione della fisica, resa possibile da magneti superconduttori, rivelatori giganteschi e miliardi di collisioni trasformate in dati

Il 10 settembre 2008, alle 10.28, un fascio di protoni completò per la prima volta un giro dell’intero anello del Large Hadron Collider, il grande acceleratore di particelle del CERN costruito nel sottosuolo tra Francia e Svizzera. Poche ore dopo anche un secondo fascio percorse l’anello nella direzione opposta. A diciotto anni di distanza, quella giornata rimane una tappa fondamentale nella storia della fisica contemporanea.

Non si trattò ancora dell’avvio delle collisioni utilizzate per gli esperimenti scientifici. Il primo obiettivo era verificare che i protoni potessero attraversare correttamente i circa 27 chilometri del circuito, superando progressivamente i diversi settori della macchina. Il fascio, invisibile a occhio nudo, veniva seguito attraverso gli strumenti di controllo mentre compiva il suo primo percorso completo.

Nelle sale del CERN, scienziati, tecnici e ingegneri poterono osservare sui monitor il risultato di oltre un decennio di progettazione, costruzione e verifiche. Era l’inizio operativo della macchina più grande e complessa mai realizzata per studiare i costituenti fondamentali della materia.

Accelerare particelle quasi alla velocità della luce

Il Large Hadron Collider, generalmente indicato con la sigla LHC, è un acceleratore circolare progettato principalmente per far viaggiare fasci di protoni in direzioni opposte. I protoni non vengono introdotti direttamente nell’anello principale alla loro energia finale, ma attraversano una catena di acceleratori che aumenta progressivamente la loro velocità.

Campi elettrici oscillanti trasferiscono energia alle particelle, mentre potenti campi magnetici ne controllano la traiettoria. I protoni raggiungono velocità estremamente prossime a quella della luce, ma l’energia aggiunta non produce più un aumento significativo della velocità. Cresce invece la loro energia relativistica, che può essere liberata quando i due fasci vengono fatti collidere.

L’espressione “acceleratore di particelle” può quindi essere fuorviante se viene interpretata soltanto nel senso comune dell’aumento della velocità. Il suo compito è soprattutto quello di conferire alle particelle un’energia elevatissima e di guidarle con straordinaria precisione verso i punti nei quali avvengono gli urti.

I fasci non sono continui e uniformi, ma suddivisi in pacchetti contenenti un grandissimo numero di protoni. Far incontrare particelle tanto piccole all’interno di un anello lungo quasi 27 chilometri richiede una precisione eccezionale. Le collisioni vengono concentrate in punti specifici, attorno ai quali sono stati costruiti i grandi esperimenti.

I magneti superconduttori

Per mantenere i protoni lungo la traiettoria circolare sono necessari oltre mille magneti dipolari superconduttori. I principali misurano circa 15 metri e generano campi magnetici abbastanza intensi da curvare particelle dotate di energie enormi.

I materiali superconduttori, quando vengono raffreddati al di sotto di determinate temperature, possono trasportare corrente elettrica senza la resistenza caratteristica dei normali conduttori. I magneti dell’LHC operano a circa 1,9 kelvin, una temperatura inferiore a quella dello spazio interstellare e corrispondente a poco più di 271 gradi sotto zero.

Per raggiungere e mantenere queste condizioni viene utilizzato elio superfluido. L’acceleratore non è quindi soltanto un grande anello sotterraneo, ma un insieme integrato di sistemi criogenici, elettrici, magnetici, informatici e di controllo. Una variazione minima può compromettere il funzionamento della macchina, rendendo necessarie procedure di sicurezza estremamente rigorose.

La difficoltà dell’impresa apparve chiaramente pochi giorni dopo il successo del primo fascio. Il 19 settembre 2008 un collegamento elettrico difettoso tra due magneti provocò un incidente tecnico e una fuoriuscita di elio, senza conseguenze per le persone, ma con danni rilevanti ad alcuni componenti. L’LHC dovette essere riparato e poté riprendere le operazioni soltanto nel 2009. L’episodio mostrò quanto l’esplorazione scientifica dipenda non solo dalle grandi idee teoriche, ma anche dall’affidabilità di migliaia di elementi materiali.

Che cosa accade durante una collisione

Quando due protoni si scontrano, non si comportano come due sfere compatte. Ogni protone possiede una struttura interna complessa, costituita da quark e gluoni. Nelle collisioni ad alta energia sono questi costituenti a interagire direttamente.

L’energia concentrata in uno spazio piccolissimo può trasformarsi in nuove particelle, secondo l’equivalenza tra massa ed energia descritta dalla relatività. Molte di esse esistono per tempi brevissimi e decadono quasi immediatamente in altre particelle. Gli scienziati non possono quindi osservarle direttamente come si guarderebbe un oggetto attraverso un microscopio.

La loro esistenza viene ricostruita analizzando ciò che lasciano dietro di sé: traiettorie, energia depositata, carica elettrica, quantità di moto e prodotti di decadimento. È un procedimento simile, per alcuni aspetti, alla ricostruzione di un evento attraverso le sue conseguenze, ma condotto con strumenti di precisione e modelli matematici estremamente sofisticati.

Le collisioni non costituiscono dunque semplicemente immagini ingrandite del mondo subatomico. Producono segnali che devono essere misurati, selezionati e interpretati. Tra il fenomeno fisico e la conoscenza scientifica si trova una complessa catena di apparati sperimentali, algoritmi, confronti statistici e verifiche indipendenti.

I grandi rivelatori

Nei punti di collisione operano esperimenti come ATLAS, CMS, ALICE e LHCb, ciascuno progettato per affrontare domande specifiche. ATLAS e CMS sono rivelatori generalisti, capaci di studiare numerosi fenomeni e di cercare particelle rare. ALICE è specializzato nello studio del plasma di quark e gluoni prodotto nelle collisioni tra ioni pesanti, mentre LHCb indaga soprattutto le differenze tra materia e antimateria.

I rivelatori sono formati da diversi strati. I sistemi di tracciamento registrano il passaggio delle particelle elettricamente cariche e consentono di ricostruirne il percorso. I calorimetri misurano l’energia assorbendo determinate particelle, mentre gli apparati più esterni identificano i muoni, capaci di attraversare grandi quantità di materia.

Ogni collisione può generare numerose particelle e produrre una quantità enorme di informazioni. Poiché non è possibile conservare integralmente tutti gli eventi, sistemi elettronici e informatici chiamati “trigger” selezionano in tempi rapidissimi quelli potenzialmente più interessanti. I dati scelti vengono poi distribuiti a centri di calcolo di tutto il mondo, dove migliaia di ricercatori partecipano alle analisi.

Dalle tracce alla scoperta

La scoperta del bosone di Higgs, annunciata nel luglio 2012 dagli esperimenti ATLAS e CMS, mostra in modo esemplare come funziona questa conoscenza indiretta. La particella prevista teoricamente non venne osservata come un punto luminoso isolato. La sua presenza emerse dall’analisi statistica di particolari distribuzioni dei prodotti delle collisioni.

Occorsero moltissimi eventi, modelli teorici accurati, controlli sistematici e due esperimenti indipendenti. La scoperta non fu quindi il risultato di una singola fotografia decisiva, ma della convergenza di numerose prove.

Questo metodo aiuta a comprendere un aspetto essenziale della scienza: osservare non significa necessariamente vedere direttamente. Gran parte della realtà fisica sfugge ai sensi umani, ma può essere conosciuta attraverso effetti misurabili. Gli strumenti estendono le capacità dell’osservatore, mentre le teorie permettono di interpretare correttamente ciò che gli apparati registrano.

Rendere visibile ciò che non possiamo vedere

Il primo fascio del 10 settembre 2008 rappresentò l’inizio di un nuovo modo di interrogare la materia. L’LHC non offre uno sguardo immediato sull’invisibile: crea condizioni sperimentali nelle quali fenomeni altrimenti inaccessibili possono lasciare tracce riconoscibili.

La conoscenza nasce dall’incontro tra realtà, tecnologia e ragione. Senza le collisioni non vi sarebbero segnali da misurare; senza i rivelatori quei segnali resterebbero impercettibili; senza modelli matematici e analisi statistiche i dati non diventerebbero comprensibili.

L’esperimento scientifico non è quindi una semplice osservazione passiva. È una domanda posta alla natura attraverso apparati progettati con precisione. La risposta non arriva sotto forma di parole, ma attraverso eventi, deviazioni, energie e probabilità che devono essere ricostruiti e sottoposti alla verifica della comunità scientifica.

A diciotto anni dal primo fascio, il Large Hadron Collider continua a mostrare quanto possa essere sottile il confine tra visibile e invisibile. Le particelle elementari non entrano direttamente nel nostro campo percettivo, ma le loro tracce consentono di ricostruire i processi più profondi della materia. La fisica amplia così lo sguardo umano, ricordando che ciò che non possiamo vedere non è necessariamente inconoscibile.

Immagine : LHC Large Hadron Collider, cortesia CERN.