Macchine gigantesche, particelle minuscole

IMMAGINATE di attraversare il confine tra Francia e Svizzera migliaia di volte in pochi secondi! ‘Impossibile’, direte. Eppure miliardi di un nuovo tipo di “abitanti di zone di confine” fanno proprio questo. Si tratta di minuscole particelle che si muovono all’interno di un gigantesco anello metallico situato nel sottosuolo in un laboratorio europeo non lontano dall’aeroporto internazionale di Ginevra, in Svizzera. Lì colossali macchine dette acceleratori di particelle aiutano i fisici in un campo di ricerca che affascina l’uomo da tanto tempo: i segreti della materia e le leggi che governano l’universo.

Scrutiamo l’infinitamente piccolo

Per migliaia d’anni l’uomo ha sognato di scoprire i componenti fondamentali della materia. Agli inizi del XX secolo gli scienziati scoprirono che l’atomo, un tempo ritenuto il più piccolo frammento di materia e quindi indivisibile, è formato di elettroni che ruotano attorno a un nucleo. In seguito si scoprì che lo si poteva suddividere ulteriormente e ora secondo una teoria tutta la materia esistente nell’universo è formata di soli tre elementi costitutivi: gli elettroni e due tipi di quark, nel vuoto.

Quando gli archeologi scoprono un muro antico, analizzano non solo i mattoni ma anche il cemento usato per tenerli insieme. Allo stesso modo i fisici moderni analizzano le forze che agiscono fra le particelle. I ricercatori spiegano che due particelle possono essere collegate scambiandosene una terza, grosso modo come avviene quando due giocatori si passano la palla. E come è vero che si usano diversi tipi di palle a seconda dei giochi, come calcio, pallacanestro e baseball, così ciascuna forza ha la propria particella portatrice (o serie di particelle portatrici). Lo studio di questi due tipi di particelle (mattoni e cemento, giocatori e palle) richiede l’uso di acceleratori.

Senza acceleratori, i fisici moderni sarebbero impotenti come lo sarebbero i botanici senza lenti di ingrandimento o gli astronomi senza telescopi. Apparecchiature che riuniscono diversi acceleratori collegati fra loro si trovano presso il CERN (Comitato Europeo di Ricerche Nucleari o Laboratorio europeo per la fisica delle particelle), al confine franco-svizzero. Forse capiremo meglio quello che avviene all’interno di una di queste macchine se ci facciamo mille miliardi di volte più piccoli! Ora possiamo seguire la nostra guida piuttosto insolita.

Viaggio all’interno di un acceleratore

Salve! Sono soltanto uno dei miliardi di protoni che vi accompagnano nel vostro viaggio nell’SPS (superprotosincrotone), il più grande acceleratore del CERN al presente. Cercate di stare al passo, perché percorreremo oltre un milione di chilometri in meno di cinque secondi!

Prima di entrare nell’SPS vero e proprio dobbiamo subire un’accelerazione preliminare in macchine più piccole per raggiungere oltre il 99 per cento della velocità della luce nel vuoto (300.000 chilometri al secondo), velocità che non possiamo superare. L’SPS accrescerà la nostra velocità solo dello 0,4 per cento. D’altro canto la nostra massa aumenterà notevolmente, facendo balzare l’energia da 10 GeV a 400 GeV,a e questo è il risultato a cui mirano i fisici. Perciò l’SPS non è un acceleratore nel senso letterale della parola, ma somiglia di più a una fionda fatta roteare a velocità costante e le cui pietre diventano sempre più pesanti man mano che si muovono.

Siamo ora entrati nell’SPS. L’intero anello, la cui circonferenza è di quasi sette chilometri, è contenuto in un tunnel sotterraneo largo parecchi metri, dove i tecnici possono spostarsi in bicicletta quando l’acceleratore non è in funzione.

Non appena entriamo nel tubo siamo presi in consegna da 744 magneti deflettori. Questi potenti elettromagneti ci mantengono su una traiettoria quasi circolare. Diversamente la forza centrifuga ci scaglierebbe contro le spesse pareti che assorbono la pericolosa radiazione che emettiamo. Dato che abbiamo la tendenza a disperderci dobbiamo essere concentrati in un fascio denso e stretto da un altro sistema di 216 lenti magnetiche. Si possono paragonare alle lenti di un faro che concentrano la luce in un fascio stretto e potente.

Per rendere possibile il nostro viaggio, è stato prodotto nel tubo un vuoto estremamente spinto, eliminando la maggioranza delle particelle con le quali altrimenti ci saremmo scontrati. A ogni giro, riceviamo un altro po’ di energia quando attraversiamo a grande velocità delle cavità a radiofrequenza lunghe 20 metri, in un lungo settore rettilineo. L’onda elettromagnetica che vi è generata ci cede un po’ della sua energia, pressappoco come avviene con un’onda oceanica che imprime velocità al surfista che viaggia su di essa.

Ora impiegheremo solo poco più di mezzo secondo per lasciare l’acceleratore in fasci di diecimila miliardi. Deviati dalla nostra traiettoria, bombarderemo un bersaglio che può essere una piastra metallica, un gas o un liquido, secondo il tipo di esperimento. Parte dell’energia liberata nella collisione fra protoni e particelle-bersaglio sarà convertita, di solito per un fuggevole istante, in materia. Questo è pressoché il contrario di quanto avviene in un reattore nucleare, dove la materia è convertita in energia. Potenti computer collegati a complicati rivelatori analizzano quindi le particelle prodotte nella collisione.

È venuto per me il momento di salutarvi. Ma se avete ancora qualche minuto, è in serbo per voi un esperimento ben più emozionante.

Anelli di collisione

I protoni che sono appena usciti si sono ora scontrati con un bersaglio fisso. Molta della loro energia, però, è andata sprecata, essendo stata ceduta alle particelle-bersaglio che rimbalzano quando vengono colpite. Per tale motivo protoni di 400 GeV che si scontrano con altri protoni di bersagli fissi liberano solo 28 GeV per produrre nuove particelle.

I ricercatori hanno studiato il problema. Per accrescere l’energia utile a disposizione è venuta loro l’idea di far collidere dei fasci. Nell’SPS un fascio di antiprotoni (particelle con la stessa massa dei protoni ma di carica elettrica opposta) viene fatto scontrare frontalmente con un fascio di protoni che ruotano in senso contrario. Quando un protone e un antiprotone di 270 GeV si scontrano, praticamente tutti i 540 GeV di energia diventano disponibili per produrre particelle molto più pesanti.

Avendo superato problemi relativi alla produzione, all’accumulazione e all’accelerazione degli antiprotoni, nel 1983 i fisici del CERN furono in grado di fornire la prova dell’esistenza di particelle molto instabili chiamate bosoni W e Z. Come la maggioranza delle particelle prodotte in questi acceleratori, questi bosoni non vivono a lungo — meno di un trilionesimo di un trilionesimo di secondo — prima di dissolversi sotto forma di energia o di trasformarsi in altre particelle. Cento volte più pesanti dei protoni, i bosoni Z sono le particelle di maggior massa scoperte finora.

Macchine sempre più grandi

In tutto il mondo si dà la caccia a nuove particelle di massa superiore, specie a quelle che trasmettono le forze (le palle da gioco menzionate all’inizio dell’articolo). Perciò sono necessarie macchine migliori e sempre più potenti. Così nel 1983 fu avviata al CERN, nei pressi di Ginevra, la costruzione di un nuovo anello. Lo chiamano LEP (grande anello di collisione elettrone-positrone), una macchina di 27 chilometri di circonferenza, progettata per accelerare elettroni e positroni (antiparticelle degli elettroni). Queste nuove particelle “palle di cannone” dovrebbero fornire ai fisici un nuovo strumento, per così dire un bisturi più sottile, per sezionare la materia.

‘Ma a cosa servono tutte queste macchine?’, chiederete. È vero, a parte i pochi, piccoli acceleratori usati negli ospedali per produrre particelle con cui distruggere cellule cancerogene o da usare come tracciatori radioattivi, le applicazioni alla tecnica sembrano limitate. I fisici comunque sono ancora ansiosi di trovare una risposta migliore alla domanda: Cos’è la materia? Quindi continueranno senz’altro a scrutare il mondo dell’infinitamente piccolo, paradossalmente mediante giganteschi acceleratori sempre più grandi.

[Nota in calce]

[Riquadro a pagina 25]

Cosa sono?

Elettroni: Particelle di carica elettrica negativa uguale a quella del protone e con una massa quasi 2.000 volte inferiore. Attorno al nucleo dell’atomo si muove un numero di elettroni pari a quello dei protoni contenuti nel nucleo.

Protoni: Particelle di carica elettrica positiva uguale a quella dell’elettrone. È uno dei componenti del nucleo di tutti gli atomi. Il nucleo dell’idrogeno ha un solo protone.

Neutroni: Particelle aventi pressappoco la stessa massa del protone ma prive di carica elettrica. È l’altro componente del nucleo di tutti gli atomi eccetto quelli di idrogeno.

Quark: Particelle che si ritiene siano le componenti fondamentali di protoni e neutroni. I quark non esistono da soli ma sempre in combinazione con altri quark. Ciascuno possiede una carica elettrica, pari a un terzo o due terzi della carica elettrica dell’elettrone.

Bosoni: Particelle che trasmettono le forze fra altre particelle subatomiche. Quando un bosone lascia una particella viene assorbito da un’altra.

L’energia si trasforma in materia

La velocità conferisce energia: Se una palla da tennis vi cade su un piede non vi ferirà. Ma se vi arriva sul naso a forte velocità può farvi molto male. Perché? Perché la velocità ha conferito energia alla palla, e nell’impatto questa energia è stata liberata. Questo è lo scopo principale di un acceleratore: trasmettere alta energia alle particelle accelerandole fortemente.

L’energia concentrata si trasforma in materia: La trasformazione di energia in materia non è una questione di quantità ma di concentrazione. Se si concentra un numero sufficiente di particelle ad alta energia e in rapido movimento in un piccolo volume, queste possono produrre nuove particelle (ovvero materia) scontrandosi con qualche oggetto o fra di loro.

Materia, sì, ma in minuscole quantità: Gli acceleratori, divoratori di energia, non producono molta materia. Secondo una pubblicazione ufficiale del CERN, “in 25 anni di esperimenti non è stato prodotto più di un milligrammo di materia”.

[Riquadro/Immagine a pagina 26]

Ricetta per fare una mucca

“Non è complicato fare le mucche. C’è solo bisogno di una gran quantità di componenti fondamentali: quark u, quark d ed elettroni. Per prima cosa fate i protoni. Vi ci vorranno due quark u e un quark d; poi fate qualche neutrone, usando un quark u e due quark d. Ora componete gli atomi. Per una mucca vi occorreranno soprattutto atomi di carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto . . . La ricetta per un atomo di idrogeno è piuttosto semplice: un protone con un elettrone che ci gira intorno. Il carbonio è più complicato . . .

“Ora si devono unire gli atomi per ottenere le molecole. L’acqua è facile da fare. Unite un atomo di ossigeno e due di idrogeno. Per altre molecole, però, ci vogliono centinaia o anche migliaia di atomi. Per ultimo usate questi atomi per costruire alcune decine di miliardi di cellule viventi e poi con cura mettetele insieme per ottenere una mucca.

“Questa è la ricetta fornita dal CERN. È molto precisa se si tiene conto del fattore tempo e del misterioso progetto che è riuscito a produrre una mucca”. — L’Express, settimanale francese.

Ma chi avrebbe potuto ideare un simile “misterioso progetto”? Solo un Essere supremamente intelligente, Colui che la Bibbia definisce il Creatore, Geova Dio. — Salmo 104:24.

[Diagramma/Immagini a pagina 24]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

LEP

SPS

site Prévessin

site Meyrin

FRANCE

SUISSE

[Fonte]

CERN photos, Ginevra