Un grafico proiettato su uno schermo mostra tracce di collisione di particelle, durante la Large Hadron Collider Conference al Museo della Scienza e della Tecnica (Milano Museo della Scienza e della Tecnologia) il 20 dicembre, 2011 a Milano, Italia. Foto di Pier Marco Tacca/Getty Images Come sa chiunque abbia un cassetto delle cianfrusaglie, tenere traccia di piccoli frammenti di effimero è difficile. Giuri di avere delle puntine da disegno - devono essere infilate lì da qualche parte, Giusto? Insieme alla colla? O sono in quella grande scatola di forniture per ufficio che ha anche alcuni pezzi casuali di vecchie apparecchiature televisive, più le forbici che usi per tosare il cane ogni estate? E, eh – anche tutte le foto del tuo matrimonio sono in quella scatola. Forse li terresti meglio sotto controllo se fossero nel cassetto delle cianfrusaglie? In loro vanno.
Avere a che fare con tutto quel casino casuale potrebbe darti un po' di simpatia per i fisici dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare. (che è abbreviato in CERN, in una serie confusa di eventi che hanno a che fare con una traduzione dal francese all'inglese.) Gli scienziati del CERN sono le ragazze e i ragazzi intelligenti che gestiscono il Large Hadron Collider, che abbreviamo nel molto più pratico LHC. LHC è il grande acceleratore di particelle situato nelle profondità della campagna svizzera, dove i fisici hanno confermato l'esistenza del bosone di Higgs, una particella subatomica che ha portato gli scienziati a capire di più su come la materia guadagna massa nell'universo.
La parola chiave qui è "subatomica". Dire che gli scienziati del CERN stanno osservando le cose su piccola scala è un enorme eufemismo. Non solo stanno guardando due protoni - le stesse particelle subatomiche - che si scontrano l'uno con l'altro, ma stanno anche cercando di mappare i detriti subatomici che volano via quando succede. Per i non iniziati, potrebbe sembrare solo un cassetto delle cianfrusaglie di adolescenti, minuscolo, particelle in rapido movimento ... che, oltre ad essere così piccolo, decadono quasi più velocemente di quanto tu possa rilevarli.
Esaminiamo l'intero processo di decadimento del lancio-mosca per avere un'idea di ciò di cui gli scienziati devono tenere traccia. All'LHC, i protoni corrono su una pista circolare quasi alla velocità della luce. E non sono solo pronti per essere zippati in un attimo. Gli scienziati del CERN devono inviare un fascio di protoni all'LHC emettendo gas idrogeno in un duoplasmatrone, che strappa gli elettroni agli atomi di idrogeno, lasciando solo protoni [fonte:O'Luanaigh].
I protoni entrano in LINAC 2, il primo acceleratore di LHC. LINAC 2 è un acceleratore lineare, che utilizza campi elettromagnetici per spingere e tirare protoni, facendoli accelerare [fonte:CERN]. Dopo aver attraversato quella prima accelerazione, i protoni stanno già viaggiando a 1/3 della velocità della luce.
Quindi entrano in Proton Synchrotron Booster, che consiste di quattro anelli. Gruppi separati di protoni corrono attorno a ciascuno di essi, nel frattempo accelerati da impulsi elettrici e guidati da magneti. A questo punto, stanno camminando al 91,6 percento della velocità della luce, e ogni gruppo di protoni viene incastrato più vicino.
Finalmente, vengono lanciati nel protone sincrotrone, ora in un gruppo più concentrato [fonte:CERN]. Nel protone sincrotrone, i protoni circolano intorno al 2, Anello di 060 piedi (628 metri) a circa 1,2 secondi al giro, e raggiungono oltre il 99,9 percento della velocità della luce [fonte:CERN]. È a questo punto che non possono davvero andare molto più veloci; Invece, i protoni iniziano ad aumentare di massa e diventano più pesanti. Entrano nel superlativo Super Proton Synchrotron, un anello di 4 miglia (7 chilometri), dove vengono ulteriormente accelerati (rendendoli così ancora più pesanti) in modo che siano pronti per essere sparati nei tubi a fascio dell'LHC.
Ci sono due tubi del vuoto nell'LHC; uno ha il raggio di protoni che viaggia in una direzione, mentre l'altro ha un raggio che corre nella direzione opposta. Però, su quattro lati dell'LHC da 16,5 miglia (27 chilometri), c'è una camera del rivelatore in cui i raggi possono incrociarsi - ed è lì che avviene la magia della collisione delle particelle. Quella, finalmente, è il nostro cassetto del disordine subatomico.
"Divertimento, " potresti pensare. "Questa è una bella storia sull'accelerazione delle particelle, Fra. Ma come fanno i fisici a sapere dove stanno andando le particelle nell'acceleratore? E come diavolo sono in grado di tenere traccia della collisione di detriti per studiarla?"
Magneti, io. La risposta sono sempre i magneti.
Ad essere onesti, in realtà è solo la risposta alla prima domanda. (Arriveremo al secondo in un secondo.) Ma davvero gigantesco, i magneti freddi impediscono alle particelle di dirigersi nella direzione sbagliata. I magneti diventano superconduttori se mantenuti a una temperatura molto bassa:stiamo parlando di una temperatura più fredda dello spazio esterno. Con i magneti superconduttori, viene creato un forte campo magnetico che dirige le particelle attorno all'LHC e, alla fine, l'uno nell'altro [fonte:Izlar].
Il che ci porta alla nostra prossima domanda. In che modo gli scienziati tengono traccia delle particelle risultanti dall'evento di collisione? "Traccia" diventa in realtà una parola significativa nella nostra spiegazione. Come puoi immaginare, i fisici non stanno solo guardando un televisore a grande schermo, passando da uno spettacolo di fuochi d'artificio protonici alle repliche di "Star Trek". Quando osservano corse e collisioni di protoni, gli scienziati stanno per lo più guardando i dati. (Non dati). Le particelle di cui "tengono traccia" dopo le collisioni non sono in realtà altro che tracce di dati che possono analizzare.
Uno dei rilevatori è in realtà chiamato dispositivo di localizzazione, e permette davvero ai fisici di "vedere" il percorso che le particelle hanno preso dopo la collisione. Certo, quello che vedono è una rappresentazione grafica della traccia della particella. Mentre le particelle si muovono attraverso il dispositivo di tracciamento, i segnali elettrici vengono registrati e quindi tradotti in un modello computerizzato. Anche i rilevatori calorimetrici fermano e assorbono una particella per misurarne l'energia, e la radiazione viene utilizzata anche per misurare ulteriormente la sua energia e massa, restringendo così l'identità di una particolare particella.
Essenzialmente, è così che gli scienziati sono stati in grado di tracciare e catturare le particelle durante e dopo il processo di accelerazione e collisione quando l'LHC ha effettuato la sua corsa più recente. Un problema, però, era che con così tante collisioni che si verificano al secondo - stiamo parlando di miliardi - non tutti i protoni che si frantumano erano in realtà così interessanti. Gli scienziati avevano bisogno di trovare un modo per separare le collisioni utili da quelle noiose. È qui che entrano in gioco i rivelatori:individuano particelle che sembrano interessanti, quindi eseguili attraverso un algoritmo per vedere se meritano un'occhiata più da vicino [fonte:Phoboo]. Se hanno bisogno di un esame più approfondito, gli scienziati ci arrivano.
Quando l'LHC viene riacceso nel 2015, ci saranno ancora più collisioni di prima (e il doppio dell'energia di collisione) [fonte:Charley]. Quando ciò accade, il sistema che fa scattare un "ehi, guarda questo" flag per i fisici sta per vantare un aggiornamento:verranno effettuate selezioni più finemente sintonizzate per avanzare oltre la prima fase, e poi tutti quegli eventi saranno analizzati completamente.
Così, restate sintonizzati per saperne di più su come i fisici stanno seguendo le particelle nell'LHC; le cose possono cambiare da queste parti quasi alla velocità della luce.
Grazie al cielo i protoni, a differenza dei topi o dei ratti di altri esperimenti scientifici, non hanno bisogno di essere nutriti e abbeverati. Saranno miliardi di collisioni al secondo, la fisica delle particelle ottiene il premio per la maggior parte dei dati raccolti con la minor quantità di formaggio data come ricompensa.
