Large Hadron Collider

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Il Large Hadron Collider (LHC) è un acceleratore di particelle, collaudato^[1] presso il CERN di Ginevra, per collisioni tra protoni e 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 del LHC sono gli oltre 1600 magneti superconduttori raffreddati alla temperatura di 1,9 K (-271,25 °C)^[2] 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^[3] oltre ad essere il luogo massivo più freddo dell'universo^{[senza fonte]}.

L'entrata in funzione del complesso^[1], inizialmente prevista per la fine del 2007,^[4] è stata spostata al 10 settembre 2008^[5][6][7] alle ore 9:30, inizialmente ad un'energia inferiore a 1 TeV.

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 (A Large Ion Collider Experiment). 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.

Il programma scientifico di LHC prevede sei esperimenti, attualmente per gran parte installati e nella fase finale di collaudo. I due esperimenti più grandi sono ATLAS^[8] (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS^[9] (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^[10] è ottimizzato per lo studio delle collisioni tra ioni pesanti. I due rivelatori più piccoli sono TOTEM^[11] e LHCf^[12], specializzati per studiare le collisioni che producono particelle a piccolo angolo rispetto alla direzione dei fasci.

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)?

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Motivo: Questa sezione "Rischi" riporta argomentazioni non scientifiche e al di fuori della fisica, più ispirate a un romanzo fantascientifico alla Dan Brown (Angeli e demoni) che a reali e solide conoscenze scientifiche. Per favore, coloro che non sono fisici, si astengano dall'intervenire su questa voce.--EMajor (msg) 23:33, 10 set 2008 (CEST)

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Secondo alcuni l'LHC potrebbe causare la distruzione della Terra.^[13][14][15] Secondo questi il CERN potrebbe:

• Creare un buco nero stabile^[16]
• 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

Il CERN, dopo accurati studi teorici^[17] ha ribadito^[18] le conclusioni di una valutazione già fatta nel 2003 secondo la quale non sussiste alcun pericolo.

Nel 2003 il CERN aveva sostenuto che è 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.

Walter Wagner, un avvocato (che si autodefinisce fisico nucleare), aveva sostenuto che 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 10⁵ che non raggiunga la velocità di fuga terrestre^[19]; 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 (come del resto non è ancora stata determinata con certezza l'esistenza dei buchi neri) e, quindi, potrebbe anche non esistere^[20]. 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 ^[21].

Tuttavia, anche se la maggior parte degli scienziati ritiene che non ci sia nessun pericolo, non tutti sono d'accordo con questa affermazione. Secondo il chimico tedesco Otto Rössler i mini buchi neri dovrebbero rapidamente diventare di dimensione infinita e potrebbero, nella peggiore delle ipotesi, inghiottire la Terra in 50 mesi.^[22]. 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. ^[23]

Gli scienziati del CERN, come ad esempio l'italiano Michelangelo Mangano, hanno rivisto ed aggiornato la valutazione dei rischi del 2003 producendo una nuova valutazione dei rischi^[18] nella quale hanno ribadito che non c'è nessun pericolo.

Per quanto riguarda i buchi neri, essi non sarebbero una minaccia perché:

• evaporerebbero in 10^-27 secondi 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 (dell'ordine di 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 il numero di quark strange è minore del numero di quark down e di quark up);
• 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 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.

Il 10 agosto 2008, Rainer Plaga, un astrofisico tedesco ha pubblicato sull'archivio arXiv (e quindi mai sottoposto ad un processo di revisione paritaria) una pubblicazione in cui concludeva che la valutazione dei rischi attuali non aveva dimostrato che i raggi cosmici che colpiscono le nane bianche producono micro buchi neri.^[24] Secondo Plaga, i buchi neri prodotti dal CERN potrebbero essere pericolosi poiché ,se un micro buco nero venisse creato al LHC, la radiazione di Hawking emessa dal buco nero potrebbe distruggere il CERN e i suoi dintorni o addirittura la Terra. Sostiene che gli effetti di buchi neri prodotti da raggi cosmici che irradiano al limite di Eddington potrebbero non essere rilevati in pesanti corpi astronomici, come le nane bianche ma potrebbero ancora causare un danno significativo a corpi piccoli come la Terra. Plaga afferma che un micro buco nero prodotto al LHC potrebbe dare il via a una reazione a catena "paragonabile a una grande esplosione nucleare nelle immediate vicinanze del collisore."^[24] Anche in questo caso però il fatto che i raggi cosmici che colpiscono la terra non abbiano mai dato luogo a nulla del genere smentisce la pericolosità della radiazione di Hawking.

Il 20 giugno 2008, l'LHC Safety Assessment Group (LSAG), il team che si occupa della valutazione di rischio per l'LHC, ha rilasciato un nuovo rapporto sulla sicurezza che va ad aggiornare quello del 2003^[18] , nel quale riafferma ed estende le precedenti conclusioni riguardo al fatto che "le collisioni provocate dal LHC non presentano alcun pericolo e non vi è motivo di preoccupazione".^[25][26][27] il rapporto del LSAG report è stato quindi revisionato e vagliato dal CERN’s Scientific Policy Committee,^[28] un gruppo di scienziati esterni che offrono consulenza al CERN.^[25][29][30] Il 5 settembre 2008, il documento del LSAG, "Review of the safety of LHC collisions" è stato pubblicato sul Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics .^[31]

Alcuni scienziati si sono rivolti alla Corte Europea dei diritti dell'uomo per fermare l'esperimento in quanto potrebbe (secondo loro) produrre un pericoloso buco nero ma la Corte Europea ha respinto la richiesta^[32].

• Sul sito web del CERN è stata messa a disposizione in 1589 pagine e 115 megabyte la documentazione completa^[33] riguardo gli esperimenti e l'intera struttura dell'anello e dei rilevatori posizionati al suo interno.
• Sempre sul sito del CERN è possibile aggiornarsi sullo stato dell'arte del progetto^[34][35]
• Su YouTube alcuni scienziati del CERN appassionati di musica hanno divulgato, in via del tutto informale, un video rap^[36] che spiega in maniera semplice e divertente il funzionamento dell'acceleratore e il suo scopo.
• L'evento del 10 settembre 2008 è stato trasmesso in diretta via Internet dal Live Webcast del CERN^[37] e diffuso attraverso molti network europei.
• L'Imperial College di Londra ha messo a disposizione un sito per monitorare in tempo reale^[38] l'utilizzo della LCG (Worldwide LHC Computing Grid), la griglia di elaboratori usata per la composizione e analisi dei dati provenienti dagli esperimenti del LHC.

• Superconducting Super Collider
• Tevatron
• Fermilab
• INFN
• LHC@home

• LHCb
• LHCf
• ALICE
• CMS
• ATLAS

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Large Hadron Collider

• Wikinotizie contiene l'articolo Un errore di progettazione ritarda l'avvio di LHC, 6 aprile 2007

• Wikinotizie contiene l'articolo Ginevra, dal 10 settembre sarà attivo l'LHC, 1 settembre 2008

• CERN Live Webcast
• LHC First Beam
• Il sito LHC al CERN
• LHC milestones
• New Physics at 5 TeV
• Compact Muon Solenoid Page (U.S. Collaboration)
• LHCb public home page
• Underground search for Higgs boson
• LCG - The LHC Computing Grid webpage

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