A volte la macchina incaricata di facilitare le scoperte da capogiro ha bisogno di un po' di tempo di fermo. Qui, un addetto alla manutenzione ispeziona il tunnel LHC il 19 novembre, 2013. Vladimir Simicek/isifa/Getty Images A volte, sono le piccole cose che ti fanno impazzire. All'inizio del XX secolo, i fisici sembravano aver ricucito l'universo abbastanza bene, tra gravità newtoniana ed equazioni elettromagnetiche di Maxwell. C'era solo un fastidioso problema:come spiegare la radioattività. Affrontarlo ha scatenato una rivoluzione scientifica che ha rivelato la sorprendente verità sulle piccole cose:a volte contengono universi.
Fisica delle particelle e meccanica quantistica, le scienze dei veri minuscoli, ha portato alla fisica altre due forze fondamentali e un serraglio di strane particelle elementari, ma dopo gli anni '70 non rimase altro che testare e perfezionare la teoria dominante, il modello standard . Altri 30 anni di granelli subatomici prodotti da acceleratori e collisori hanno riempito spazi vuoti chiave, tuttavia rimanevano molte domande:perché alcune particelle avevano massa mentre altre no? Potremmo unificare le quattro forze fondamentali o far andare d'accordo la relatività generale e la meccanica quantistica?
Uno di questi fili penzolanti scatenerebbe un'altra rivoluzione? Scoprirlo richiederebbe una più grande, più potente collisore di particelle come mai prima d'ora, un anello di 27 chilometri di magneti superconduttori più freddo dello spazio esterno, in grado di sbattere le particelle insieme a una velocità prossima alla luce in un vuoto ultraelevato. Il 10 settembre 2008, questo Large Hadron Collider (LHC) da 10 miliardi di dollari, lo sforzo collaborativo di centinaia di scienziati e ingegneri in tutto il mondo, si è unito al campus di acceleratori dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) e presto ha battuto i record di collisione di particelle.
Diamo un'occhiata a ciò che abbiamo imparato finora, a cominciare dalla scoperta più famosa di tutte.
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Il professor Peter Higgs visita la mostra "Collider" del London Science Museum il 12 novembre, 2013. Penso che sia sicuro dire che Higgs ei suoi colleghi non avevano del tutto previsto il trambusto del bosone di Higgs. Peter Macdiarmid/Getty Images Nel nostro macromondo, assumiamo che tutte le particelle abbiano massa, per quanto piccolo. Ma nel micromondo, teoria elettrodebole , che lega le forze elettromagnetiche e deboli in una forza sottostante, predice che particelle speciali chiamate mediatori non dovrebbe avere alcuna massa; che è un problema, perché alcuni di loro lo fanno.
I mediatori sono portatori di forza: fotoni trasmettere elettromagnetismo, mentre Bosoni W e Z portare forza debole. Ma mentre i fotoni sono privi di massa, I bosoni W e Z racchiudono un peso sostanziale, nell'ordine di 100 protoni ciascuno [fonte:CERN].
Nel 1964, il fisico Peter Higgs dell'Università di Edimburgo e il team di François Englert e Robert Brout della Libera Università di Bruxelles hanno proposto indipendentemente una soluzione:un campo insolito che trasmettesse massa in base alla forza con cui le particelle interagivano con esso. Se questo campo di Higgs esisteva, allora dovrebbe avere una particella mediatrice, un bosone di Higgs . Ma ci vorrebbe una struttura come l'LHC per rilevarlo.
Nel 2013, i fisici hanno confermato di aver trovato un bosone di Higgs con una massa di circa 126 giga-elettronvolt (GeV) - la massa totale di circa 126 protoni (l'equivalenza massa-energia consente ai fisici di utilizzare gli elettronvolt come unità di massa) [fonti :Das]. Lungi dal chiudere i libri, questo ha aperto nuove aree di ricerca sulla stabilità dell'universo, perché sembra contenere molta più materia che antimateria, e la composizione e l'abbondanza della materia oscura [fonti:Siegfried].
Rileva i quark! Il defunto fisico teorico Nathan Isgur mostra un modello di parte di una macchina per osservare il comportamento dei quark. Il prezzo (nel 1981) era di 83 milioni di dollari. Ron Bull/Toronto Star via Getty Images Nel 1964, due ricercatori che lottano per dare un senso adroni -- particelle subatomiche colpite dalla forza forte -- individualmente hanno avuto l'idea che fossero costituite da una particella costituente con tre tipi. George Zweig li ha chiamati assi; Murray Gell-Mann li ha soprannominati quark ed etichettato i loro tre tipi, o sapori, come "su, " "giù" e "strano". I fisici avrebbero poi identificato altri tre tipi di quark:"fascino, " "sopra e sotto."
Per molti anni, i fisici hanno diviso gli adroni in due categorie in base ai due modi in cui i quark li hanno prodotti: barioni (inclusi protoni e neutroni) erano composti da tre quark, invece mesoni (come pioni e kaoni) erano formati da coppie quark-antiquark [fonti:CERN; ODS]. Ma erano queste le uniche combinazioni possibili?
Nel 2003, ricercatori in Giappone hanno trovato una strana particella, X(3872) , che sembrava fatto di un quark charm, un anticharm e almeno altri due quark. Durante l'esplorazione della possibile esistenza della particella, i ricercatori hanno scoperto Z(4430) , una particella apparente di quattro quark. Da allora LHC ha scoperto prove per molte di queste particelle, che rompono - o almeno piegano sostanzialmente - il modello stabilito per le disposizioni dei quark. Tali particelle Z sono fugaci, ma potrebbe aver prosperato per circa un microsecondo dopo il Big Bang [fonti:O'Luanaigh; sprofondare; Concedere].
Un lavoratore si trova sotto il Compact Muon Solenoid (CMS), un rivelatore di uso generale presso l'LHC. Alcuni fisici hanno avuto grandi speranze che il rivelatore avrebbe scoperto prove per sostenere SUSY. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images I teorici sono avanzati supersimmetria , soprannominato SUSY , per affrontare diversi problemi fastidiosi che il modello standard lasciava senza risposta, come il motivo per cui alcune particelle elementari hanno massa, come l'elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli avrebbero potuto essere legate insieme e, possibilmente, di che materia è fatta la materia oscura. Ha anche stabilito una relazione allettante tra i quark e leptoni che compongono la materia e il bosoni che mediano le loro interazioni. Come i barioni menzionati prima, i leptoni (come gli elettroni) appartengono a un gruppo di particelle subatomiche chiamate fermioni che hanno proprietà quantistiche opposte ai bosoni. Ancora, secondo SUSY, ogni fermione ha un bosone corrispondente, e viceversa, e ogni particella può trasformarsi nella sua controparte [fonti:CERN; Sigillo].
Se è vero, SUSY significherebbe che i due tipi di particelle elementari (fermioni e bosoni) sono semplicemente due facce della stessa medaglia; eliminerebbe certe quantità infinite fuggiasche che emergono nella matematica lasciando che le particelle corrispondenti si annullino; e farebbe spazio alla gravità - un'evidente omissione nel modello standard - perché le conversioni fermione-bosone e bosone-fermione potrebbero comportare gravitoni , i portatori di forza di gravità a lungo teorizzati.
I fisici speravano che l'LHC avrebbe trovato prove a sostegno di SUSY o rivelato problemi più profondi che avrebbero indirizzato verso nuovi territori teorici e sperimentali. Finora, nessuno dei due sembra essere successo, ma non contare ancora la supersimmetria. SUSY esiste in molte versioni, ciascuno legato a particolari ipotesi; l'LHC ha semplicemente selezionato alcune delle varietà più eleganti e probabili.
La zuppa del giorno al CERN è un abbondante plasma di quark e gluoni. Wavebreakmedia Ltd/Wavebreak Media/Thinkstock Quando gli scienziati che calibravano gli strumenti LHC hanno saltato le solite collisioni protone-protone e hanno optato invece per inserire protoni nei nuclei di piombo, hanno notato un fenomeno sorprendente:i percorsi casuali che le schegge subatomiche risultavano di solito seguivano erano stati sostituiti da un'apparente coordinazione.
Una teoria avanzata per spiegare il fenomeno dice che l'impatto ha creato uno stato esotico della materia chiamato plasma di quark-gluoni (QGP) , che scorreva come un liquido e produceva particelle coordinate mentre si raffreddava. Sia i Brookhaven National Laboratories che l'LHC hanno precedentemente creato QGP, la forma più densa di materia al di fuori di un buco nero, facendo scontrare ioni pesanti come il piombo e l'oro. Se QGP da una collisione protone-piombo risulta possibile, potrebbe influenzare in modo significativo le idee su come gli scienziati vedono le condizioni immediatamente dopo il Big Bang, quando QGP ha avuto il suo breve periodo di massimo splendore. C'è solo un problema:la collisione non avrebbe dovuto avere abbastanza energia per sfornare l'ipotetica zuppa di quark [fonti:CERN; Concedere; Roland e Nguyen; Di].
Sebbene la maggior parte dei fisici favorisca questa idea nonostante i suoi problemi, alcuni hanno sostenuto una seconda spiegazione che coinvolge un campo teorico creato da gluoni , le particelle che mediano la forza forte e incollano quark e antiquark in protoni e neutroni. L'ipotesi dice che i gluoni che sfrecciano a una velocità prossima alla luce formano campi che li fanno interagire. Se corretto, questo modello potrebbe fornire preziose informazioni sulla struttura e l'interazione dei protoni [fonti:Grant].
Seicento milioni di collisioni di particelle al secondo possono generare molti dati e, di conseguenza, analisi. È probabilmente sicuro dire che i dati di LHC offriranno molte più sorprese. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images Per quanto illogico possa sembrare, molti fisici speravano che l'LHC avrebbe fatto qualche buco nel modello standard. Il quadro ha problemi, Dopotutto, e forse una scoperta sconvolgente o due confermerebbero la supersimmetria, o almeno puntare verso nuove strade di ricerca. Come abbiamo accennato, anche se, l'LHC ha inferto ripetuti colpi alla fisica esotica, riconfermando ad ogni turno il modello standard. Concesso, i risultati non sono tutti inclusi (ci sono moltissimi dati da analizzare), e l'LHC deve ancora raggiungere la sua piena energia di 14 tera-elettronvolt (TeV). Tuttavia, le probabilità non sembrano buone per far sembrare cattivo il modello standard.
O forse lo fanno, se un rapporto del 2013 sul decadimento del mesone B è indicativo. Mostra i mesoni B che decadono in un mesone K (aka un kaon) e due muoni (particelle simili agli elettroni), che non farebbe alzare le sopracciglia, tranne che il decadimento ha seguito uno schema non previsto dal modello standard. Sfortunatamente, lo studio attualmente scende al di sotto della soglia del ballo nei nostri camici da laboratorio. Ancora, è abbastanza alto da suscitare speranze, e l'analisi di dati aggiuntivi potrebbe spostarlo dalla zona rossa alla zona finale. Se è così, lo strano modello di decadimento potrebbe offrire il primo assaggio della nuova fisica che molti stanno cercando [fonti:Johnston; O'Neill].
Dopo il completamento dell'LHC, alcuni si chiedevano cosa avrebbe significato per la fisica se il bosone di Higgs non fosse apparso. Non era solo la principale ragion d'essere dell'enorme demolitore di atomi; era una sorta di fulcro del modello standard.
Ora c'è un problema più grande, e riguarda le misurazioni della radiazione cosmica di fondo effettuate dalla seconda generazione del Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2). Se le osservazioni di BICEP2 si rivelassero corrette, allora il campo di Higgs avrebbe dovuto essere abbastanza energico durante il Big Bang da causare un immediato Big Crunch. In altre parole, se entrambe le idee sono vere, allora non dovremmo essere qui a discutere sul perché non possano essere vere entrambe.
