Il Large Hadron Collider gioca con la famosa equazione di Albert Einstein, E =mc ² , trasformare la materia in energia e poi di nuovo in diverse forme di materia. Ma in rare occasioni, può saltare il primo passo e scontrarsi con energia pura, sotto forma di onde elettromagnetiche.

L'anno scorso, l'esperimento ATLAS all'LHC ha osservato due fotoni, particelle di luce, rimbalzando l'uno sull'altro e producendo due nuovi fotoni. Quest'anno, hanno fatto un passo avanti nella ricerca e hanno scoperto che i fotoni si fondono e si trasformano in qualcosa di ancora più interessante:i bosoni W, particelle che trasportano la forza debole, che governa il decadimento nucleare.

Questa ricerca non si limita a illustrare il concetto centrale che governa i processi all'interno di LHC:energia e materia sono due facce della stessa medaglia. Conferma inoltre che a energie sufficientemente elevate, le forze che sembrano separate nella nostra vita quotidiana, l'elettromagnetismo e la forza debole, sono unite.

Da senza massa a massiccio

Se provi a replicare a casa questo esperimento di collisione di fotoni incrociando i raggi di due puntatori laser, non sarai in grado di creare nuovi, particelle massicce. Anziché, vedrai i due raggi combinarsi per formare un raggio di luce ancora più luminoso.

"Se torni indietro e guardi le equazioni di Maxwell per l'elettromagnetismo classico, vedrai che due onde che si scontrano si sommano in un'onda più grande, "dice Simone Pagan Griso, un ricercatore presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. "Vediamo questi due fenomeni osservati di recente da ATLAS solo quando mettiamo insieme le equazioni di Maxwell con la relatività speciale e la meccanica quantistica nella cosiddetta teoria dell'elettrodinamica quantistica".

All'interno del complesso di acceleratori del CERN, i protoni sono accelerati vicino alla velocità della luce. Le loro forme normalmente arrotondate si schiacciano lungo la direzione del movimento poiché la relatività speciale sostituisce le leggi classiche del movimento per i processi che hanno luogo all'LHC. I due protoni in arrivo si vedono come frittelle compresse accompagnate da un campo elettromagnetico ugualmente schiacciato (i protoni sono carichi, e tutte le particelle cariche hanno un campo elettromagnetico). L'energia dell'LHC combinata con la contrazione della lunghezza aumenta la forza dei campi elettromagnetici dei protoni di un fattore di 7500.

Quando due protoni si sfiorano, i loro campi elettromagnetici schiacciati si intersecano. Questi campi saltano il classico galateo "amplificare" che si applica alle basse energie e seguono invece le regole delineate dall'elettrodinamica quantistica. Attraverso queste nuove leggi, i due campi possono fondersi e diventare la "E" in E=mc².

"Se leggi l'equazione E=mc² da destra verso sinistra, vedrai che una piccola quantità di massa produce un'enorme quantità di energia a causa della costante c², che è la velocità della luce al quadrato, "dice Alessandro Tricoli, un ricercatore al Brookhaven National Laboratory, il quartier generale degli Stati Uniti per l'esperimento ATLAS, che riceve finanziamenti dall'Office of Science del DOE. "Ma se guardi la formula al contrario, vedrai che devi iniziare con un'enorme quantità di energia per produrre anche una piccola quantità di massa."

LHC è uno dei pochi posti sulla Terra in grado di produrre e far scontrare fotoni energetici, ed è l'unico posto in cui gli scienziati hanno visto due fotoni energetici fondersi e trasformarsi in enormi bosoni W.

Un'unificazione di forze

La generazione di bosoni W da fotoni ad alta energia esemplifica la scoperta che ha vinto Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg il Premio Nobel 1979 per la fisica:alle alte energie, l'elettromagnetismo e la forza debole sono la stessa cosa.

Elettricità e magnetismo spesso sembrano forze separate. Normalmente non ci si preoccupa di rimanere scioccati mentre si maneggia un magnete da frigorifero. E lampadine, anche mentre è illuminato con l'elettricità, non attaccarsi alla porta del frigorifero. Allora perché le stazioni elettriche mettono in mostra segnali di avvertimento sui loro alti campi magnetici?

"Un magnete è una manifestazione dell'elettromagnetismo, e l'elettricità è un'altra, " dice Tricoli. "Ma sono tutte onde elettromagnetiche, e vediamo questa unificazione nelle nostre tecnologie quotidiane, come i telefoni cellulari che comunicano attraverso onde elettromagnetiche."

Ad energie estremamente elevate, l'elettromagnetismo si combina con un'altra forza fondamentale:la forza debole. La forza debole governa le reazioni nucleari, compresa la fusione dell'idrogeno in elio che alimenta il sole e il decadimento degli atomi radioattivi.

Proprio come i fotoni trasportano la forza elettromagnetica, i bosoni W e Z portano la forza debole. La ragione per cui i fotoni possono scontrarsi e produrre bosoni W nell'LHC è che alle energie più alte, quelle forze si combinano per formare la forza elettrodebole.

"Sia i fotoni che i bosoni W sono portatori di forza, ed entrambi portano la forza elettrodebole, "Dice Griso. "Questo fenomeno sta realmente accadendo perché la natura è quantomeccanica".