Dalla materia oscura al bosone di Higgs: cosa stanno facendo al CERN di Ginevra?

Gli esperimenti del CERN tramite l'acceleratore di particelle LHC prevedono lo scontro di particelle ad alta energia: cosa stanno cercando?

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Il mondo delle particelle è uno dei più sfuggevoli che si possano studiare in ambito scientifico. A differenza dei pianeti distanti, di cui possiamo comunque avere un'idea o una rappresentazione nonostante la loro lontananza di anni luce rispetto alla terra, il mondo microscopico è difficile da immaginare. Comunemente si pensa all'atomo come elettroni che orbitano attorno a protoni e neutroni, ma la realtà è ben diversa da quella che ci insegnano nei corsi di base di chimica o fisica. Queste particelle microscopiche sono anche onde, ovvero sono dislocate su tutto lo spazio e possiamo sapere solo il punto o la superficie dove è più probabile trovarle. Dunque non è dato conoscere dove sono con precisione per una loro proprietà intrinseca. Inoltre il processo di misura che rileva la loro posizione le sposta, in quanto possiamo 'vederle' solo facendole scontrare con altre particelle, ad esempio con dei fotoni che le colpiscono e tornano allo strumento dopo l'urto. Quello che pensiamo di vedere con i nostri occhi non sono altro che fotoni che rimbalzano sulle superfici circostanti verso il nostro apparato visivo, quindi quello che crediamo di osservare direttamente non è altro che una percezione riflessa.

A livello microscopico questi fenomeni sono così importanti da rendere il mondo estremamente diverso da come lo immaginiamo, per questo la fisica quantistica è incredibilmente contro-intuitiva e di difficile comprensione. Anche per questo motivo tutti gli esperimenti che svolgono al CERN di Ginevra hanno un appeal decisamente inferiore rispetto alle scoperte spaziali. In questo articolo cercheremo di farvi capire quali sono le ricerche effettuate tramite il più grande acceleratore di particelle del mondo, l'LHC, e perché non hanno nulla da invidiare a quelle decisamente più pop della NASA come la missione Cassini-Huygens.

L'85% della materia che ci circonda è invisibile ai nostri strumenti?

Molti astrofisici credono che circa l'85% della materia nell'universo sia un mistero (percentuale che varia a seconda delle fonti, ma che si aggira attorno a questo numero). Perché? Ci sono varie motivazioni. Ad esempio grazie alla teoria della relatività generale di Einstein sappiamo che grandi masse possono distorcere lo spazio-tempo attorno a loro in maniera considerevole. Questo fa sì che la luce che passa vicino ad un corpo massivo come un buco nero venga curvata: avviene il fenomeno del gravitational lensing che viene sfruttato dagli astronomi per guardare al di là di corpi celesti molto massivi. La figura qui di seguito è molto esplicativa in tal senso e ci mostra come le onde elettromagnetiche di una galassia lontana arrivino sulla terra per via della loro curvatura, nonostante ci sia un corpo massivo tra questi .

Dunque è possibile sapere quanta massa possiede un certo oggetto sapendo la curvatura che compie la luce: gli scienziati hanno verificato che esistono delle parti nell'universo che hanno una massa esageratamente più grande di quella che vediamo con i nostri strumenti per via della loro attrazione gravitazionale verso gli oggetti vicini che fa curvare i fasci luminosi più del dovuto. Per questo è nata la credenza che esista la materia oscura, ovvero che nell'universo ci sia una massa che che è a noi invisibile. Questa è responsabile anche dell'alta velocità di rotazione degli oggetti più esterni della Via Lattea: nel sistema solare i pianeti più vicini al sole ruotano molto più velocemente attorno ad esso rispetto a quelli più esterni. Mercurio impiega circa 3 mesi a ruotare attorno alla sua stella mentre Nettuno ha bisogno di 164 anni. Si potrebbe pensare che allo stesso modo gli oggetti della Via Lattea ruotino meno velocemente attorno al suo centro se si trovano vicini al bordo della galassia, invece gli oggetti più esterni hanno una velocità paragonabile a quelli più interni.

Si pensa che anche in quel caso ci sia la materia oscura che permette ai corpi di ruotare più velocemente, anche se non la possiamo osservare direttamente. Una parte della comunità scientifica dunque crede nell'esistenza di questo 85% circa di materia oscura che costituisce la grande maggioranza dell'universo ma che non possiamo vederla. Forse è formata da particelle a bassa interazione come i neutrini che non interagiscono a livello elettromagnetico, ma aventi una massa molto elevata. Altri scienziati credono invece che la forza gravitazionale che conosciamo sia semplicemente errata e che questo 85% di materia derivi da un calcolo sbagliato. Le opinioni chiaramente non si fermano qui ma non ci interessa analizzarle tutte.

Come creare la materia oscura nel Large Hadron Collider

Gli scienziati del CERN credono di poter creare la materia oscura nell'acceleratore di particelle LHC di 27 km costruito in un tunnel circolare sotterraneo presso Ginevra. In che modo? Due fasci di protoni vengono accelerati a velocità prossime a quelle della luce uno in senso orario e uno in senso antiorario. Un singolo protone è costituito da particelle più piccole chiamate quark e gluoni, e la probabilità che questi collidano con quark e gluoni di un altro protone che percorre la stessa traiettoria è 1 su 1.000.000, ma quando succede viene rilasciata un'energia immensa. Quando i protoni si scontrano l'uno con l'altro, generano la situazione che vedete in figura: le continue collisioni fra questi fasci rilasciano migliaia di particelle ed è in quell'istante che si pensa sia possibile creare la materia oscura di cui abbiamo parlato in precedenza. I luoghi nei quali si verificano gli scontri sono i 4 punti dell'acceleratore LHC nei quali avvengono gli esperimenti ATLAS, CMS, LHCb e ALICE, dove sono posizionati centinaia di milioni di sensori che captano tutti i dati corrispondenti alle particelle create in questi urti ad alta energia.

Alcune particelle come il bosone di Higgs sono talmente instabili che decadono in altre particelle prima di raggiungere questi sensori, per questo sono state osservate solo negli ultimi anni grazie alla ripetuta analisi statistica delle particelle prodotte. Ad esempio se si studia l'energia di coppie di fotoni è possibile risalire all'evento che li ha generati, ovvero alla massa della particella dalla quale sono nati: si è scoperto il bosone di Higgs analizzando quanti più fotoni possibili dopo questi scontri e si è calcolato a livello statistico la presenza di una particella corrispondente al bosone teorizzato. Solo quando gli scienziati sono stati certi che questa massa non fosse frutto di un errore è stata annunciata la scoperta del bosone. Dunque come sperano di scoprire la materia oscura? Ripetendo continuamente questi scontri e raccogliendo dati su dati da analizzare a livello statistico, processo che può richiedere anni. Chissà che poi non venga scoperto qualcosa di nuovo che non sia la materia oscura? Ora vi lasciamo alla visione del video di TED-Ed che spiega in modo semplice con efficaci animazioni visive cosa stanno facendo al CERN di Ginevra. Buona visione!