venerdì 8 maggio 2015

IL BOSONE DI HIGGS IN PAROLE SEMPLICI E IL MOTIVO PER CUI E' TANTO IMPORTANTE


Sono anni che i mezzi d'informazione parlano del bosone di Higgs e dell'LHC (Large Hadron Collider), la macchina costruita al CERN di Ginevra per indagare le più piccole parti della materia. Ho deciso di scrivere questo articolo perché ho la sensazione che molte persone non abbiano compreso quanto questo esperimento sia importante per il passato, presente e il futuro della fisica teorica.
Dopo cinquant'anni di teorie sulla fisica delle particelle elementari e sulle leggi fondamentali della natura, gli scienziati hanno progettato una macchina in grado di testare tutte queste teorie, con l'intento particolare di verificare esistenza del "Bosone di Higgs". Il nome di questa particella deriva da colui che per primo ipotizzò la sua esistenza, il dott. Peter Higgs.
Peter Higgs (fonte foto link)
Higgs è una specie di celebrità nel mondo della fisica dato che negli anni sessanta elaborò una teoria che mirava a spiegare l'origine della massa delle particelle elementari, ipotizzando l'esistenza di una nuova particella subatomica che conferiva massa alle particelle elementari. Questa intuizione fu particolarmente gradita dal mondo accademico dato che andava a risolvere un problema fondamentale nel campo della fisica teorica. Anche se può sembrare strano la fisica teorica richiedeva particelle elementari prive di massa per permettere alle equazioni elaborate di funzionare e questo rappresentava un grande problema. Higgs ipotizzò dunque l'esistenza di una particella subatomica sconosciuta, una particella che conferisce una massa alle altre particelle elementari quando interagisce con loro. Questa particella venne chiamata appunto "bosone di Higgs", per poi diventare nota al grande pubblico come "particella di Dio" in quanto nessuno l'aveva mai vista ma era necessario credere fermamente alla sua esistenza per far si che tutto il modello fisico elaborato dai teorici funzionasse. Nonostante il bosone di Higgs non era mai stato rilevato, il "meccanismo di Higgs" fu accettato come importante componente del "modello standard della fisica delle particelle", tanto che il funzionamento del modello standard diventò completamente dipendente dall'esistenza del bosone di Higgs. Pensate quanti fisici teorici hanno dedicato la loro vita allo studio del meccanismo di Higgs e quante ulteriori teorie sono state elaborate sulla base del modello standard, del quale il bosone di Higgs rappresenta il cardine fondamentale. 

Dopo tanta teorizzazione, la fisica delle particelle aveva bisogno di maggiori certezze. Proprio per l'importanza che il bosone di Higgs aveva all'interno del modello standard era diventato indispensabile confermare la sua esistenza, ma questo compito non era affatto facile dato che stiamo parlando di dimensioni migliaia di volte più piccole di un protone. A questo scopo negli anni ottanta fu concepito un esperimento in grado di indagare le più piccole parti della materia, ci vollero 30 anni per progettare ed assemblare la macchina più grande mai costruita dall'uomo, un capolavoro ingegneristico a cui hanno contribuito 10.000 persone di oltre 100 nazionalità diverse.
LHC-Large Hadron Collider (fonte foto link)
Questa macchina, chiamata LHC (Large Hadron Collider), per certi versi poterebbe essere definita "la piramidi del nostro tempo" dato che per realizzarla l'uomo si è spinto oltre le sue capacità. In parole povere si tratta di un acceleratore di particelle in grado di spingere i protoni a colliderle ad una velocità che sfiora quella della luce, per poi registrare i frammenti liberati durante l'impatto
 tramite rilevatori sensibilissimi. Per sapere da cosa è composta la materia bisogna romperla, riducendola in minime parti, i rilevatori invece servono per capire di cosa sono fatti i frammenti
I tubi all'interno dei quali vengono accelerate
le particelle (fonte foto 
link)
 liberati.  Il momento in cui LHC è stato acceso per la prima volta ha rappresentato un bivio nella storia della fisica. Se la macchina non avesse individuato nuove particelle rispetto a quelle già conosciute, cinquant'anni 
di teorizzazioni sarebbero andati in fumo e avrebbe voluto dire che durane tutto questo tempo sono stati commessi gravissimi errori nell'approccio alla fisica, i teorici avrebbero dovuto ammettere di aver sbagliato qualcosa di fondamentale e che a quel punto sarebbe stato impossibile andare avanti. Al contrario se l'esperimento avesse dato risultati in linea con quanto teorizzato, l'umanità sarebbe stata proiettata verso l'epoca d'oro della ricerca scientifica. Nella storia non era mai successo che il futuro di un'intero campo dipendesse da un singolo esperimento.
Prima di passare ai risultati ottenuti voglio dedicare due parole al funzionamento di questa complicatissima macchina. LHC è stato costruito per far collidere protoni. Il protone insieme al neutrone compone il nucleo dell'atomo. La fonte di protoni che alimenta la macchina è una semplice bombola d'idrogeno, che allo stato naturale esiste sotto forma di molecola biatomica (H2). Prima di poter immettere i protoni all'interno dell'acceleratore è necessario che l'idrogeno venga ionizzato, per far ciò è necessario uno strumento chiamato duoplasmatron che grazie a particolari magneti rompe la forma molecolare dell'idrogeno strappando poi ai singoli protoni l'elettrone, soltanto a quel punto i protoni sono pronti per essere immessi all'interno dell'acceleratore.
fonte foto link
In parole semplici, l'acceleratore è composto da un tubo sotto vuoto riempito di magneti, si tratta di un tubo circolare lungo ben 27 km che corre nel sottosuolo tra la Svizzera e la Francia. Per creare le collisioni invece vengono accelerati due fasci di protoni in direzioni opposte e poi fatti scontrare in prossimità di sensibilissimi rilevatori termici. I fasci di protoni vengono raggruppati in quelli che potrebbero essere definiti "pacchetti" per aumentare le possibilità di ottenere uno scontro tra due protoni. I fasci s'incontrano nei quattro punti in cui sono posizionati i rilevatori e ad ogni rilevatore corrisponde una diversa indagine. Nel punto in cui s'incrociano i fasci c’è una certa probabilità che un protone di un pacchetto collida con un protone del pacchetto che arriva dalla direzione opposta. Ogni collisione di protoni produce uno "spruzzo" di particelle che viene fotografato dai rivelatori. Ovviamente non si tratta di una foto reale della collisione ma di una ricostruzione digitale basata sui dati registrati dai sensibilissimi rilevatori termici. 
Lo scontro tra due protoni (rappresentato da linee gialle tratteggiate in uscita dalle linee rosse) è misurata nel calorimetro elettromagnetico del rilevatore CMS. Le linee gialle sono le tracce misurate delle particelle prodotte nella collisione. (fonte foto link)



Per un spiegazione dettagliata sul funzionamento dell'LHC consulta questo link esterno

Peter Higgs ripreso nel momento in cui la scoperta
dell'omonimo bosone è stata resa pubblica.
(foto foto link)
Il 4 luglio 2012, in una conferenza tenuta nell'auditorium del CERN, a cui assistette anche un Peter Higgs visibilmente commosso, i portavoce dei due esperimenti, Fabiola Gianotti per l'esperimento ATLAS e Joseph Incandela per l'esperimento CMS, hanno dato l'annuncio della scoperta di una particella compatibile con il bosone di Higgs, in linea grossomodo con le previsioni dei modelli teorici, la cui massa risultò essere intorno ai 126 GeV per il rilevatore ATLAS e intorno ai 125,3 GeV per il rilevatore CMS. La scoperta del Bosone di Higgs è stata ufficialmente confermata il 6 marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN a La Thuile. I dati relativi alle sue caratteristiche sono tuttavia ancora incompleti in quanto la mole di dati da analizzare è davvero enorme, in piu' saranno necessari ulteriori test. LHC è stato spento all'inizio del 2013 ed è previsto che rimanga inattivo fino al 2015 a causa di importanti lavori di rinforzo dei dispositivi di sicurezza, prima di riprendere gli esperimenti al massimo dell'energia possibile. Molti fisici teorici si aspettano che una nuova fisica emerga oltre il Modello standard. In particolare i ricercatori sperano di verificare l’esistenza delle particelle più sfuggenti della materia e comprendere la natura della materia oscura e dell’energia oscura, che costituiscono rispettivamente il 23% e il 72% dell’universo (l'energia e la materia visibili invece ne costituiscono soltanto il 5%).
In questo senso la scoperta del bosone di Higgs non rappresenta un arrivo, ma il punto di partenza da cui cominciare per comprendere la reale natura dell'universo che ci circonda. I dati raccolti fino a questo momento lasciano aperte ancora molte strade, anche diametralmente opposte, come la teoria della supersimmetria o quella del multiverso.

L'umano desiderio di conoscere e ogni tappa della scalata alla scienza ci hanno portato a comprendere dimensioni subatomiche migliaia di volte più piccole del protone. E' sorprendente il fatto che la mente umana sia riuscita a prevedere l'esistenza del bosone di Higgs tramite la matematica, anzi a pensarci bene è già sorprendente che l'uomo riesca a capire il linguaggio matematico e che questo linguaggio possa spiegare ogni segreto della natura. La matematica non è stata inventata, ma scoperta, questo grazie al potere della mente umana. 
Durante una delle tante conferenze tenute al CERN, un'ospite ha domandato al relatore quali potevano essere le applicazioni future che potevano derivare dalla scoperta del bosone di Higgs e quale poteva essere il ritorno economico che potesse giustificare un simile sforzo. Il relatore rispose che non ne aveva idea. Le grandi scoperte scientifiche non vanno fatte pensando ad un guadagno economico, semplicemente si cerca di progredire, trovando risposte a ciò che non si conosce. Quando furono scoperte le onde radio non si aveva alcuna idea di quali potessero essere le sue applicazioni e non si poteva immaginare che avrebbero rivoluzionato il futuro delle comunicazioni, erano semplicemente un tipo di radiazione. 
Dunque a cosa serve l'LHC? 
Semplicemente a capire ogni cosa. 

Manuel di Civiltà antiche e antichi misteri
fonte:
http://www.borborigmi.org/wordpress/wp-content/uploads/downloads/2015/01/come-funziona-LHC.pdf
http://it.wikipedia.org/wiki/Peter_Higgs
http://www.imdb.com/title/tt1385956/ (documentario)
http://it.wikipedia.org/wiki/Bosone_di_Higgs