CERN

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Introduzione

CERN o Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Laboratorio europeo per la ricerca di fisica delle particelle, situato sul confine franco-svizzero, a ovest di Ginevra. Istituito nel 1954, si occupa della ricerca fondamentale sulla struttura della materia e sulle interazioni che la governano, e di fisica nucleare non applicata. Il primo acceleratore completato al CERN fu il Protosincrotrone (PS), che entrò in funzione nel 1959.

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Cenni storici

Il CERN fu istituito nei primi anni Cinquanta del Novecento, sull’onda del nuovo spirito di cooperazione internazionale affermatosi in Europa e nel mondo dopo la seconda guerra mondiale. L’intento era quello di ricostituire l’apparato culturale e scientifico europeo, gravemente danneggiato dal conflitto e dalla fuga di cervelli che esso aveva causato.

La prima idea di un laboratorio europeo per la ricerca scientifica fu avanzata da Louis-Victor de Broglie nel 1949; l’anno seguente, in occasione della Quinta conferenza generale dell’UNESCO, Isidor Rabi presentò una risoluzione in merito, incoraggiando l’UNESCO a favorire la creazione di laboratori scientifici internazionali. Di lì a poco sarebbe nato il CERN: nel 1952 in forma provvisoria e, a partire dal 29 settembre 1954, in forma definitiva. Il primo segretario generale fu uno dei suoi più attivi promotori, Edoardo Amaldi. I dodici stati fondatori furono: Repubblica Federale Tedesca, Belgio, Danimarca, Francia, Grecia, Italia, Norvegia, Paesi Bassi, Regno Unito, Svezia, Svizzera e Iugoslavia. In seguito si sarebbero uniti anche Austria (1959), Spagna (1961, poi uscita nel 1969 e rientrata nel 1983), Portogallo (1985), Finlandia (1991), Polonia (1991), Ungheria (1992), Repubblica Ceca (1993) Repubblica Slovacca (1993), Bulgaria (1999). Il primo direttore generale del CERN fu il fisico svizzero-statunitense Felix Bloch, che ebbe la carica nel 1954-55; fu seguito dall’olandese Cornelis Jan Bakker (scomparso nel 1960 in un incidente aereo) e dal britannico John Bertram Adams, che ebbe l’incarico rinnovato per tre volte.

Nel 1957 entrò in funzione il primo grande acceleratore, un sincro-ciclotrone da 600 MeV, e due anni dopo fu realizzata la più potente macchina acceleratrice dell’epoca, un protosincrotrone (PS) da 28 GeV. Nel corso degli anni Sessanta, mentre l’ampliamento del laboratorio portava il CERN a sconfinare in territorio francese, si ottenevano le prime immagini di interazioni con neutrini in camera a bolle e si avviavano ricerche nel campo dei nuclei instabili a vita molto breve.

Nel decennio successivo il CERN conobbe importanti ampliamenti e significative conquiste scientifiche. Nel 1971 venne decisa la costruzione di un secondo laboratorio, con un super-protosincrotrone (SPS) da 7 km e 300 GeV. Nel 1972 il PS venne dotato di un booster a quattro anelli da 800 GeV e di un nuovo acceleratore lineare che, nel complesso, potenziarono enormemente le possibilità della macchina. Nel 1978 fu adottata una nuova tecnica (detta di raffreddamento stocastico) per migliorare la qualità e l’intensità dei fasci; essa consentì di utilizzare il super-protosincrotrone come un collider protone-antiprotone e portò tali e tanti successi da incoraggiare il Consiglio ad avviare la realizzazione del più grande acceleratore mai realizzato, il Large Electron-Positron Collider (LEP).

Gli anni Ottanta furono contraddistinti dalla storica scoperta dei bosoni W e Z (1983), accolta dalla comunità scientifica come la conferma della teoria elettrodebole e per questo riconosciuta l’anno seguente con il premio Nobel ai suoi autori, Carlo Rubbia e Simon van der Meer. Nel 1989 entrò in funzione il LEP, che da subito portò risultati illuminanti per la conoscenza delle particelle elementari.

Il 1990 vide il CERN dare un contributo fondamentale al campo delle telecomunicazioni: i suoi ricercatori Timothy Berners-Lee e Robert Caillau misero a punto un sistema informatico distribuito, capace di collegare contenuti immagazzinati su computer diversi, attraverso un’unica grande rete informatica, oggi universalmente nota come World Wide Web.

Gli anni Novanta videro la nascita del nuovo acceleratore LHC e si conclusero con la dismissione dello storico LEP, nel novembre 2000. Sul fronte delle scoperte, nel 1995 furono sintetizzati in laboratorio atomi di antimateria (realizzati a partire da antiparticelle) e nel 1998 emerse la prima evidenza di una sorta di “freccia del tempo”: fu infatti rilevata un’asimmetria tra il ritmo con cui si verifica la trasformazione di antikaoni in kaoni e quello della trasformazione inversa. Nel 2000 una serie di esperimenti fornì la prova dell’esistenza di uno stato della materia venti volte più denso del nucleo atomico (plasma di quark e gluoni), probabilmente lo stato in cui si trovava la materia pochi microsecondi dopo il Big Bang.

Nei primi anni del nuovo millennio il CERN ha dovuto affrontare difficili questioni riguardanti il finanziamento dei progetti in corso e in via di realizzazione. Il programma più impegnativo all’ordine del giorno è il completamento di LHC, che secondo le stime attuali dovrebbe giungere a termine nell’anno 2008.

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La ricerca alle alte energie

Attualmente il CERN è il maggior laboratorio di fisica delle particelle al mondo e ospita alcuni tra i più grandi acceleratori di particelle che siano mai stati costruiti. In queste potenti macchine le particelle elementari, dopo essere state “impacchettate” in due fasci intensi e concentrati, vengono accelerate a energie incredibilmente alte e poi fatte urtare violentemente le une contro le altre; le collisioni prodotte riproducono le condizioni di temperatura esistenti pochi istanti dopo il Big Bang, l’evento che si ritiene responsabile della formazione dell’Universo. In tali condizioni, energia e materia diventano entità indistinguibili, e vi è così un’alta probabilità che, dalle particelle fatte collidere, si formino nuove particelle, che poi a loro volta decadono rapidamente, generandone altre. Tutto quanto accade nel tubo di un acceleratore viene registrato sotto forma di segnali elettrici o luminosi nei rivelatori di particelle: attraverso l’indagine del mondo microscopico, infinitamente piccolo, si riescono dunque ad avere informazioni preziose sulle forme della materia e sui processi che ne hanno regolato lo sviluppo nei primissimi istanti di vita dell’Universo.

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Il LEP

Il Large Electron-Positron Collider (LEP), installato in un tunnel circolare di 27 km di circonferenza, 100 metri sotto terra, è stato il principale acceleratore del CERN dal 1989 al 2000. Gli elettroni e i positroni erano accelerati in modo da ruotare in sensi opposti nel tubo a vuoto della macchina, che aveva una sezione del diametro di circa 12 cm: le particelle potevano raggiungere velocità prossime a quella della luce e compiere circa 11.000 giri al secondo, incrociandosi in quattro punti dell’anello, chiamati punti di interazione. In ciascuna di queste posizioni era stata realizzata una zona sperimentale, che ospitava un “esperimento”: ALEPH, DELPHI, L3 e OPAL erano i nomi dei quattro apparati installati in queste aree. L’aspetto esterno di questi esperimenti, di solito, è un grosso cilindro, un magnete, all’interno del quale si genera un campo magnetico che permette di distinguere i diversi tipi di particelle osservate: le dimensioni tipiche di un esperimento sono di una decina di metri sia in lunghezza sia in diametro, mentre il peso è di alcune migliaia di tonnellate. All’interno del magnete vengono posti vari rivelatori di particelle, sistemati in strati concentrici, come le foglie di una cipolla.

A partire dal 2008 il medesimo tunnel del LEP ospiterà il Large Hadron Collider (LHC), un collisore protone-protone già in fase di costruzione, destinato a essere il più grande acceleratore di particelle al mondo, che verrà realizzato anche con il contributo speciale degli Stati Uniti.

Da quando il LEP entrò in funzione, nel 1989, gli esperimenti hanno effettuato misure accuratissime dei parametri del Modello standard, confermando l’esistenza di tre famiglie di leptoni, dato non deducibile dalla teoria, e permettendo di mettere a punto la classificazione delle particelle elementari. Con i dati di LEP è stato possibile anche fare previsioni della massa del bosone di Higgs, una particella non ancora osservata sperimentalmente, ma la cui esistenza è essenziale per la coerenza del Modello standard. Queste informazioni saranno un’utile guida per gli scienziati, quando inizieranno la ricerca del bosone di Higgs con LHC, costruito principalmente a questo scopo.