Large Hadron Collider Turns 10: Ecco perché è più importante che mai

Dieci anni! Dieci anni dall'inizio delle operazioni per Large Hadron Collider (LHC), una delle macchine più complesse mai create. L'LHC è il più grande acceleratore di particelle al mondo, sepolto a 100 metri sotto la campagna francese e svizzera con una circonferenza di 17 miglia.

Il 10 settembre 2008, i protoni, il centro di un atomo di idrogeno, sono stati fatti circolare per la prima volta attorno all'acceleratore LHC. Tuttavia, l'eccitazione è stata di breve durata perché il 22 settembre si è verificato un incidente che ha danneggiato oltre 50 dei più di 6.000 magneti dell'LHC - che sono fondamentali per mantenere i protoni in viaggio sul loro percorso circolare. Le riparazioni durarono più di un anno, ma nel marzo 2010 l'LHC iniziò a scontrarsi con i protoni. L'LHC è il gioiello della corona del CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle fondato dopo la seconda guerra mondiale come un modo per riunire e ricostruire la scienza nell'Europa dilaniata dalla guerra. Ora scienziati di sei continenti e 100 paesi conducono esperimenti lì.

Potresti chiederti cosa fa LHC e perché è un grosso problema. Grandi domande L'LHC collide due fasci di protoni insieme alle più alte energie mai raggiunte in un laboratorio. Sei esperimenti situati intorno all'anello di 17 miglia studiano i risultati di queste collisioni con enormi rilevatori costruiti nelle caverne sotterranee. Questo è il cosa, ma perché? L'obiettivo è comprendere la natura dei più elementari blocchi costitutivi dell'universo e il modo in cui interagiscono tra loro. Questa è la scienza fondamentale al suo massimo.

L'LHC non ha deluso. Una delle scoperte fatte con l'LHC include il tanto ricercato bosone di Higgs, previsto nel 1964 da scienziati che lavoravano per combinare le teorie di due delle forze fondamentali della natura.

Lavoro su uno dei sei esperimenti LHC: l'esperimento del Solenoide compatto Muon progettato per scoprire il bosone di Higgs e cercare segni di particelle o forze precedentemente sconosciute. La mia istituzione, la Florida State University, è entrata a far parte della collaborazione del Compact Muon Solenoid nel 1994 quando ero un giovane studente universitario in un'altra scuola che lavorava a un diverso esperimento in un altro laboratorio. La pianificazione per LHC risale al 1984. Il LHC è stato difficile da costruire e costoso - 10 miliardi di euro - e ci sono voluti 24 anni per giungere a buon fine. Ora festeggiamo 10 anni da quando LHC ha iniziato a funzionare.

Scoperte dall'LHC

La scoperta più significativa che arriva dal LHC fino ad ora è la scoperta del bosone di Higgs il 4 luglio 2012. L'annuncio è stato fatto al CERN e ha conquistato un pubblico mondiale. In effetti, io e mia moglie lo guardavamo via webcast sul nostro grande schermo TV nel nostro salotto. Dato che l'annuncio era alle 3:00 della Florida, andammo a fare delle frittelle all'IHOP per festeggiare in seguito.

Il bosone di Higgs era l'ultimo pezzo rimasto di ciò che chiamiamo il modello standard della fisica delle particelle. Questa teoria copre tutte le particelle fondamentali conosciute - 17 di esse - e tre delle quattro forze attraverso le quali interagiscono, sebbene la gravità non sia ancora inclusa. Il modello standard è una teoria incredibilmente ben collaudata. Due dei sei scienziati che hanno sviluppato la parte del modello standard che prevede il bosone di Higgs hanno vinto il premio Nobel nel 2013.

Mi viene spesso chiesto, perché continuiamo a fare esperimenti, a distruggere i protoni, se abbiamo già scoperto il bosone di Higgs? Non abbiamo finito? Bene, c'è ancora molto da capire. Ci sono una serie di domande a cui il modello standard non risponde. Ad esempio, studi di galassie e altre strutture su larga scala nell'universo indicano che c'è molta più materia là fuori di quanto osserviamo. Chiamiamo questa materia oscura poiché non possiamo vederla. La spiegazione più comune fino ad oggi è che la materia oscura è composta da una particella sconosciuta. I fisici sperano che l'LHC possa essere in grado di produrre questa particella misteriosa e studiarla. Sarebbe una scoperta incredibile.

Proprio la scorsa settimana, le collaborazioni ATLAS e Compact Muon Solenoid hanno annunciato la prima osservazione del bosone di Higgs che si decompone, o si rompe, nei quark di fondo. Il bosone di Higgs decade in molti modi diversi, alcuni rari, altri comuni. Il modello standard fa previsioni su quanto spesso avvenga ogni tipo di decadimento. Per testare completamente il modello, è necessario osservare tutti i decadimenti previsti. La nostra recente osservazione è in accordo con il modello standard - un altro successo.

Altre domande, più risposte a venire

Ci sono molti altri enigmi nell'universo e possiamo richiedere nuove teorie della fisica per spiegare tali fenomeni - come l'asimmetria materia / antimateria per spiegare perché l'universo ha più materia dell'anti-materia, o il problema della gerarchia per capire perché la gravità è molto più debole delle altre forze.

Ma per me, la ricerca di nuovi dati inspiegabili è importante perché ogni volta che i fisici pensano che abbiamo capito tutto, la natura fornisce una sorpresa che porta ad una comprensione più profonda del nostro mondo.

L'LHC continua a testare il modello standard di fisica delle particelle. Gli scienziati amano quando la teoria corrisponde ai dati. Ma di solito impariamo di più quando non lo fanno. Questo significa che non capiamo completamente cosa sta succedendo. E questo, per molti di noi, è l'obiettivo futuro dell'LHC: scoprire le prove di qualcosa che non capiamo. Ci sono migliaia di teorie che predicono la nuova fisica che non abbiamo osservato. Quali sono giusti? Abbiamo bisogno di una scoperta per sapere se alcuni sono corretti.

Il CERN intende continuare le operazioni di LHC per un lungo periodo. Stiamo pianificando aggiornamenti per l'acceleratore e i rilevatori per consentirne il funzionamento fino al 2035. Non è chiaro chi si ritirerà prima, io o l'LHC. Dieci anni fa, attendevamo con ansia i primi raggi di protoni. Ora siamo impegnati nello studio di una grande quantità di dati e speriamo in una sorpresa che ci porti verso una nuova strada. Ecco a guardare avanti ai prossimi 20 anni.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Todd Adams. Leggi l'articolo originale qui.