Symmetries of the Universe

PARTE PRIMA

SULLE SPALLE DEI GIGANTI:
L’ANTIMATERIA E LA FISICA DEL XX SECOLO

Da sempre l’uomo ha guardato con stupore le stelle, luogo prediletto di sogni e speranze. Da sempre ci si è interrogati sull’infinità dell’Universo e su quali potessero essere i suoi segreti, e in tutto ciò le scienze fisiche hanno rappresentato il punto di riferimento da seguire.
Già con Galileo Galilei s’iniziarono a compiere i primi passi verso una comprensione, seppure alquanto parziale, del cosmo in cui viviamo. Comprensione che poi, agli inizi del Novecento, arrivò ad essere riconducibile a due successive teorie: la teoria della gravitazione universale, formulata da Isaac Newton per spiegare il perpetuo moto dei pianeti intorno al Sole, e la teoria elettromagnetica, elaborata da James Clerk Maxwell in riferimento alle onde e alla luce. Tutto sembrava ormai talmente chiaro, da far pensare a molti che la fisica potesse arrivare a comprendere le leggi ultime della Natura. I primi anni di quel secolo, invece, avrebbero visto la nascita d’idee rivoluzionarie, in grado di rappresentare una svolta senza precedenti per la comprensione dell’Universo. Tra il 1905 e il 1916, un giovane impiegato di quinto livello dell’Ufficio Brevetti di Berna di nome Albert Einstein, con le sue due versioni della relatività ristretta (o speciale) e della relatività generale, avrebbe relegato la teoria sulla gravitazione universale di Newton al solo ruolo di buona approssimazione di una realtà ben più complessa. Nello stesso periodo, sul fronte dello studio degli atomi e dei costituenti primi della materia, una generazione di brillanti scienziati avrebbe dato vita a una nuova fisica: la meccanica quantistica. Si racconteranno nel seguito questi straordinari momenti. Come Albert Einstein riuscì a catturare l’essenza dello spazio-tempo cavalcando, con il semplice ausilio dell’intelletto, la luce e i pianeti. Come, poi, Niels Bohr interpretò il comportamento degli elettroni intorno ai nuclei atomici o, ancora, si racconterà di come Werner Heisenberg arrivò a teorizzare,con il principio d’indeterminazione, la sua nuova visione basata sull’impossibilità di misurare con esattezza i parametri fisici del micromondo. Il tentativo di unire queste teorie avrebbe, poi, portato alla scoperta delle antiparticelle e all’elaborazione di nuovi concetti per le teorie unificate della fisica. Parleremo così di Paul Maurice Dirac e della sua equazione per gli elettroni e gli antielettroni (o positroni), e di come Richard Feynman riuscì addirittura a interpretare le antiparticelle da poco scoperte come materia viaggiante all’indietro nel tempo. Racconteremo, dunque, di come la fisica poggiasse allora sulle spalle di questi giganti. Giganti che indicarono a tutti la strada verso le stelle. 

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Capitolo quattordicesimo

Il Large Hadron Collider LHCe la fisica del XXI secolo 

I teorici spesso pensano di essere i creatori della fisica attraverso le loro teorie, gli sperimentali spesso pensano con i loro rivelatori di essere gli scopritori o gli inventor della fisica, gli ingegneri degli acceleratori di particelle spesso pensano che tutto sia possibile solo attraverso le loro apparecchiature, ed ognuno pensa che le altre categorie esistono solo come loro supporto.

Un fisico sperimentale del progetto CMS presso il CERN
LHC: la nascita di un gigante

Il più grande collisore di particelle oggi in funzione è, come abbiamo visto, il Large Hadron Collider LHC del CERN di Ginevra.Questa opera colossale è entrata ufficialmente in funzione il 10 settembre 2008 e rappresenta oggi uno degli sforzi più grandi, in termini finanziari e di nazioni coinvolte, mai concepiti nel campo della scienza non militare, nonchè il riferimento per tutta la comunità internazionale della fisica.
Per comprendere la complessità di un tale progetto, con i relativi tempi di progettazione e costruzione, basti pensare che la sua gestazione ha richiesto circa un quarto di secolo di lavori teorici, tecnici e di ingegneria civile. L’inizio di questa avventura scientifica è infatti datata 1984 quando, durante un simposio organizzato a Losanna, venne definito il punto di partenza del progetto. Qui s’iniziò a immaginare un nuovo grande acceleratore a protoni, da collocare nello stesso tunnel sotterraneo del precedente LEP di 27 chilometri e avente un’energia mai raggiunta prima. Nel 1992 i primi esperimenti iniziarono ad essere definiti e nel dicembre del 1994, dopo vari anni di lavoro, il Council del CERN approvò ufficialmente il progetto. L’energia finale disponibile è pari a 7 TeV per fascio di protoni incidenti (ossia 14 TeV di energia complessiva nei punti dicollisione). In realtà questa potrebbe apparire non così enorme, se si pensa che l’energia cinetica posseduta da una comune zanzara in moto risulta normalmente dell’ordine del TeV. La differenza però sta nel fatto che l’energia all’interno di LHC viene concentrata in una regione di spazio mille miliardi di volte più piccola della dimensione della nostra zanzara, riuscendo quindi a raggiungere temperature 100 000 volte più calde di quelle presenti nel cuore del nostro Sole. E questi livelli di energia sono stati studiati proprio al fine di riprodurre in laboratorio le condizioni dell’Universo dopo appena 10^-12 secondi dalla sua nascita. È questa in sintesi la straordinarietà del progetto.
Complessi esperimenti, chiamati ATLAS, CMS, ALICE, LHC-b e TOTEM, collocati come immense cattedrali in caverne sotterranee, sono necessari per rilevare i prodotti degli oltre seicento milioni di collisioni al secondo che avvengono tra i protoni. Ricordo, in particolare, di aver visto crescere il rivelatore ATLAS anno dopo anno durantela sua costruzione. A quell’epoca ero un giovane ingegnere nucleare, al centro di quell’enorme caverna che avrebbe ospitato, di lì a pochi anni, tonnellate di acciaio, elettronica sofisticata e magneti raffinatissimi, in grado di analizzare il mondo dell’infinitamente piccolo come non era mai accaduto prima. In quel momento capii cosa fosse realmente la Big Science! Solo per dare un’idea delle dimensioni di questi giganti, si pensi che il magnete del rivelatore CMS contiene più ferro di quello usato per costruire la Torre Eiffel.

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Un gioiello della tecnologia

Migliaia di persone provenienti da tutto il mondo stanno oggi unendo i loro sforzi a Ginevra per la riuscita di questa impresa.
Ecco alcuni dati per poterne comprendere la complessità. All’energia di 7 TeV i protoni circolanti sono talmente difficili da curvare che è necessario ricorrere alla superconduttività criogenica. Enormi magneti, in totale oltre novemila, sono portati a temperature di 1,9K (-271,25 °C), in modo da generare, in assenza di resistenza elettrica, campi magnetici dell’ordine di circa 10 Tesla. Per fare questosi utilizzano oltre 10 000 tonnellate di azoto liquido e 120 tonnellate di elio liquido. I fasci di protoni circolanti percorrono i 27 chilometri di circonferenza più di undicimila volte al secondo, a una velocità pari al 99,9999991% della velocità della luce, attraverso quello che è forse uno dei migliori vuoti mai raggiunti per progetti di così ingenti dimensioni (circa 10^-13 atmosfere, paragonabile al vuoto presente nello spazio profondo). La progettazione di LHC ha richiesto, quindi, una precisione e una complessità mai viste. Basti pensare, ad esempio, che durante la progettazione è stato necessario tenere in considerazione perfino l’influenza della forza di attrazione gravitazionale esercitata dalla Luna sulla crosta terrestre e quella dei disturbi elettrici provocati dal passaggio dei treni in superficie a un chilometro di distanza. L’orbita dei protoni circolanti deve essere costantemente tenuta sotto osservazione ed eventualmente corretta secondo la posizione della Luna nel cielo. Volete sapere se questa sera ci sarà la Luna piena? Chiamate pure l’operatore della sala di controllo di LHC!
Le energie in gioco, come già detto, sono enormi. Diamo qualche numero. Normalmente, LHC riesce ad accelerare non più di circa due nanogrammi di materia al giorno, quindi per accelerare i protoni contenuti in un solo grammo d’idrogeno si impiegherebbe ben oltre un milione di anni. Apparentemente non sembra gran che!
Tuttavia, si può calcolare facilmente come questi «pochi» protoni circolanti abbiano un’energia incredibilmente alta, equivalente a quella di un treno come il TGV che viaggia a oltre 150 km/h. Immaginiamo ora di prendere questa energia e di concentrarla in uno spazio infinitamente piccolo: raggiungeremmo temperature enormi, che, come abbiamo visto, sono circa 100 000 volte più intense di quelle presenti nel Sole. Ecco quindi che abbiamo riprodotto in laboratorio le condizioni che si avevano proprio nei primissimi istanti della nascita del nostro Universo.
Durante il suo funzionamento, LHC riesce a produrre ogni anno all’interno dei rivelatori, sotto forma di tracce di collisione, una quantità di dati informatici sufficiente per riempire oltre 100 000 DVD, equivalenti a circa l’1% di tutti i dati informatici prodotti sulla Terra. Questi dati dovranno, per i prossimi quindici anni, essere messi a disposizione degli scienziati di tutto il mondo dal nuovo Data Grid, un’imponente infrastruttura informatica costituita da decine di migliaia di computer sparsi nel globo e in grado di processare e immagazzinare i dati necessari. Colossi industriali stanno assistendo a questa nuova evoluzione del World Wide Web, che potrebbe rappresentare la rivoluzione informatica d’inizio millennio. Applicazioni su larga scala sono qui auspicabili in un futuro prossimo, proprio come lo fu il WWW agli inizi degli anni ‘90 con lo sviluppo planetario di internet.
Gli obiettivi di LHC sono quindi molteplici: rilevare il bosone di Higgs, indagare sull’origine della materia oscura e su come la materia ordinaria si è evoluta nei primi istanti dell’Universo, fino ad arrivare alle prove conclusive circa l’origine dell’asimmetria con l’antimateria durante il Big Bang. Come mi ha recentemente confessato il premio Nobel Jack Steinberger in una chiacchierata informale al CERN:
La fisica è cambiata enormemente negli ultimi cinquanta-sessant’anni, così come il modo di condurre gli esperimenti. La scienza, infatti, si è sviluppata enormemente rispetto ai periodi pionieristici in cui si poteva fare fisica e nel giro di pochi mesi si potevano scoprire nuove e affascinanti particelle.
E il tutto sembra oggi molto più complicato, così come le domande a cui vogliamo dare una risposta. Tuttavia, per me è sempre interessante notare come le persone possano trovare ancora piacere nel fare fisica.