Large Hadron Collider

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La catena degli acceleratori del CERN, organizzati in stadi successivi di accelerazione terminanti con l'iniezione in LHC.
Esperimenti a LHC
ATLAS	A Toroidal LHC ApparatuS
CMS	Compact Muon Solenoid
LHCb	LHC-beauty
ALICE	A Large Ion Collider Experiment
TOTEM	Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation
LHCf	LHC-forward
Catena di preaccelerazione
p e Pb	acceleratore lineare per protoni e piombo
(non indicato)	Proton Synchrotron Booster
PS	Proton Synchrotron
SPS	Super Proton Synchrotron

Il Large Hadron Collider (LHC) è un acceleratore di particelle, attualmente nelle fasi finali di costruzione presso il CERN di Ginevra per collisioni tra protoni e tra ioni pesanti.

LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente mai realizzato dall'uomo, progettato per far collidere protoni ad un'energia nel centro di massa di 14 TeV, mai raggiunta fino ad ora in laboratorio. È costruito all'interno di un tunnel sotterraneo lungo 27 km situata al confine tra la Francia e la Svizzera, originariamente scavato per realizzare il Large Electron-Positron Collider (LEP).

I componenti più importanti di LHC sono gli oltre 1600 i magneti superconduttori raffreddati alla temperatura di 1,9 K (-271,25 °C)^[1] da elio liquido superfluido che realizzeranno un campo magnetico di circa 8 Tesla, necessario a mantenere in orbita i protoni all'energia prevista. Il sistema criogenico di LHC è il più grande che esista al mondo^[2].

L'entrata in funzione del complesso, inizialmente prevista per la fine del 2007,^[3] è stata spostata all'estate del 2008^[4]^[5]^[6], inizialmente ad un'energia inferiore ai 10 TeV.

Una parte di un magnete superconduttore di LHC.

La macchina accelererà due fasci di particelle che circoleranno in direzioni opposte, ciascuno contenuto in un tubo a vuoto, che collideranno in quattro punti lungo l'orbita, in corrispondenza di caverne nelle quali il tunnel si allarga per lasciare spazio a grandi sale sperimentali. In queste stazioni vi sono i quattro principali esperimenti di fisica delle particelle: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb ed ALICE. Si tratta di enormi apparati costituiti da numerosi rivelatori che utilizzano tecnologie diverse e opereranno intorno al punto in cui i fasci collidono. Nelle collisioni saranno prodotte, grazie alla trasformazione di una parte dell'altissima energia in massa, numerosissime particelle che attraverseranno rivelatori e le cui proprietà saranno misurate dai rivelatori.

Tra gli scopi principali degli studi sarà cercare fra queste particelle tracce dell'esistenza del bosone di Higgs e di nuove particelle.

Il programma scientifico di LHC prevede anche la collisione tra ioni pesanti. Nuclei di piombo potranno essere accelerati all'energia di 2,7 TeV per nucleone, corrispondente a 575 TeV per nucleo.

[modifica] Esperimenti ad LHC

L'interno del tunnel di LHC, dove sono stati installati magneti superconduttori.

Il programma scientifico di LHC prevede sei esperimenti, attualmente per gran parte installati, ed nella fase finale di collaudo. I due esperimenti più grandi sono ATLAS^[7] (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS^[8] (Compact Muon Solenoid) che sono rivelatori di enormi dimensioni ed avanzata tecnologia realizzati da collaborazioni internazionali comprendenti oltre 2000 fisici. L'esperimento LHCb è invece progettato per studiare la fisica dei mesoni B, mentre ALICE è ottimizzato per lo studio delle collisioni tra ioni pesanti. I due rivelatori più piccoli sono TOTEM^[9] e LHCf^[10], specializzati per studiare le collisioni che producono particelle a piccolo angolo rispetto alla direzione dei fasci.

[modifica] Finalità Scientifiche

Il rivelatore CMS di LHC

I fisici di tutto il mondo si propongono di utilizzare LHC per avere risposte a varie questioni che reputano fondamentali per il proseguimento dell'indagine fisica.

Qual è l'origine della massa? In particolare, esiste il bosone di Higgs, particella prevista nel Modello Standard per dare origine alle masse delle particelle?
Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del plasma di quark e gluoni si verificherà l'origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo?
Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs?
Sappiamo ora che il 95% della massa dell'universo è costituita da materia diversa da quella ordinaria. Di che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e l'energia oscura?
Esistono le particelle supersimmetriche (SUSY)?
Esistono altre dimensioni oltre alle tre spaziali e quella temporale, come previste da vari modelli di teoria delle stringhe?
Quali sono le caratteristiche della violazione di CP che possono spiegare l'asimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi assenza di antimateria nell'universo?
Cosa si può conoscere con maggiori dettagli di oggetti già noti (come il quark top)?

[modifica] Rischi

Alcune persone ritengono che l'LHC potrebbe causare la distruzione della Terra.^[11]^[12]^[13] Secondo questi il CERN potrebbe:

Creare strangelet, composti fatti da quark strange, che convertono la materia ordinaria in materia strana
Creare monopoli magnetici che potrebbero catalizzare il decadimento dei protoni

La comunità scientifica sostiene che non c'è nessun pericolo. È infatti noto da tempo che la Terra viene costantemente colpita da raggi cosmici di energia anche enormemente superiore a quella dei fasci di LHC, senza che ciò causi alcun danno. Inoltre, se pure venissero prodotti mini buchi neri, essi evaporerebbero immediatamente per via della radiazione di Hawking e quindi sarebbero innocui.

Tuttavia, sostiene il fisico nucleare Wagner^[14] , un mini buco nero creato in laboratorio è considerevolmente differente da uno creato dai raggi cosmici ad alta energia che colpiscono la Terra. Se i raggi cosmici producono veramente mini buchi neri, come sostengono alcune teorie, viaggerebbero a una velocità relativa alla Terra molto alta (0,9999 c) e, come un neutrino, attraverserebbero la Terra in circa 0,25 secondi senza interagire con la materia; o al massimo se interagissero comunque inghiottirebbero al massimo qualche quark a un ritmo molto lento.

Al contrario un mini buco nero creato nell'LHC sarebbe relativamente a riposo, e ci sarebbe una probabilità su 10^5 che non raggiunga la velocità di fuga terrestre^[15]; nel caso la velocità del minibuco nero fosse minore della velocità di fuga della Terra verrebbe catturato dal campo gravitazionale terrestre e dopo un po' di tempo interagirebbe lentamente con la materia e acquisterebbe sempre più massa fino a inghiottire la Terra. Questo a patto che la radiazione di Hawking non esista perché se esistesse allora il mini buco nero evaporerebbe e non ci sarebbe pericolo.

Per quanto riguarda la radiazione di Hawking la sua esistenza non è stata ancora verificata e quindi potrebbe anche non esistere. Se non esistesse i mini buchi neri creati sarebbero stabili e potrebbero distruggere la Terra. Tuttavia, afferma il fisico Landsberg, anche se Hawking sbagliasse il mini buco nero divorerebbe la materia così lentamente che per divorare un milligrammo ci vorrebbe più dell'età dell'universo ^[16].

Tuttavia, anche se la maggior parte degli scienziati ritiene che non c'è nessun pericolo, non tutti sono d'accordo con questa affermazione. Secondo lo scienziato tedesco Rossler i mini buchi neri potrebbero nella peggiore delle ipotesi inghiottire la Terra in 50 mesi.^[17]. Walter Wagner e Luis Sancho hanno citato in giudizio presso una corte delle Hawaii il Cern, il Fermilab di Chicago e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti che hanno partecipato alla costruzione dell'acceleratore. ^[18]

Lo scienziato del CERN Michelangelo Mangano [1] ribadisce che non c'è nessun pericolo perché:

per quanto riguarda i buchi neri, essi non sarebbero una minaccia perché:
- evaporerebbero in 10^-27 sec. a causa della radiazione di Hawking
  - se non evaporassero, questo vorrebbe dire che la meccanica quantistica è errata e ciò è altamente improbabile.
- pur ammettendo che alcuni mini buchi neri potessero non riuscire a raggiungere la velocità di fuga terrestre, sostiene che, anche se non evaporassero, i mini buchi neri ci metterebbero tempi enormi (tipo 10¹¹ anni) per inghiottire la Terra.
- Inoltre se i buchi neri prodotti dal LHC fossero una minaccia, allora le stelle di neutroni vivrebbero al massimo 100 milioni di anni. Sono state osservate invece stelle di neutroni con più di un miliardo di anni di età. Dunque la probabilità che venga distrutta la Terra è molto bassa, all'incirca 1 su 10²².
per quanto riguarda gli strangelet non sarebbero una minaccia perché:
- è improbabile che gli strangelet creatisi siano carichi negativamente (poiché N(s)<N(d),N(u))
- pur ammettendo che si potessero creare all'LHC alcuni strangelet abbastanza lenti da non rompersi e che siano quindi liberi di crescere, non sarebbero una minaccia perché:
  - se i raggi cosmici generassero strangelet lenti e intrappolati nel campo campo magnetico galattico, finirebbero in nuvole di gas e dentro le stelle. Le frequenze di esplosioni simili a quelle delle stelle di neutroni lo smentiscono.
  - man mano che cresce la densità di energia, diminuisce la probabilità che si generino strangelet. Dunque non si potrebbero generare all'LHC.
per quanto riguarda i monopoli magnetici non sarebbero una minaccia perché:
- la Terra viene costantemente colpita da raggi cosmici di energia anche enormemente superiore a quella dei fasci di LHC, senza che ciò causi alcun danno.
idem per il decadimento del falso vuoto.