Education, Fisica

La Fisica di ATLAS

26 Jan , 2016  

Written by A.Di Ciaccio and M. Cobal on

 

Introduzione

1. Il Modello Standard delle particelle elementari

Studiare l’ infinitamente piccolo e capire la composizione ultima della materia è fondamentale per comprendere le origini e l’evoluzione del nostro Universo.

La teoria che oggi descrive i costituenti fondamentali della materia e le loro interazioni, vale a dire le forze fondamentali che governano l’Universo, è chiamata Modello Standard. Secondo il Modello Standard le particelle fondamentali sono: i quark e i leptoni, chiamate fermioni e quelle mediatrici delle interazioni fondamentali, chiamate bosoni (vedi tabella).

Il Modello Standard descrive tre forze fondamentali: la forza nucleare forte, che tiene insieme i quark all’interno di protoni e neutroni ed anche gli stessi protoni e neutroni all’interno del nucleo, la forza debole responsabile ad esempio dei decadimenti radioattivi e alla base della fusione nucleare che fa splendere le stelle, la forza elettromagnetica, che tiene gli elettroni legati al nucleo nell’atomo ed è responsabile dei fenomeni elettrici e magnetici. Le forze che agiscono fra i costituenti della materia si manifestano attraverso lo scambio di altre particelle, i bosoni mediatori.  Ad esempio la forza forte e’ il risultato di un scambio di gluoni, quella elettromagnetica di fotoni,  quella debole delle particelle chiamate W e Z. Nel Modello Standard queste tre forze sono unificate e descritte sulla base di relazioni di simmetria.

C’è pero’un’altra forza fondamentale che non si riesce a descrivere all’ interno del formalismo fisico-matematico del Modello Standard: la forza di gravità, per la quale – a differenza delle altre tre forze – non è stata ancora verificata sperimentalmente l’esistenza di una particella mediatrice (gravitone).

Uno dei principali scopi della moderna fisica delle particelle è proprio capire come descrivere in un solo modello teorico queste quattro interazioni fondamentali.

 Il Modello Standard ipotizza anche l’esistenza di  una particella non ancora osservata, il bosone di Higgs. Infatti ad oggi, non sappiamo perché le particelle possiedono la caratteristica fondamentale che chiamiamo “massa” e che cosa ci sia all’origine della massa: il bosone di Higgs, se osservato, potrebbe fornire la risposta a questo quesito.

L’esperimento ATLAS , costruito presso il CERN di Ginevra al nuovo acceleratore LHC e’ una Collaborazione Internazionale di circa 170 Istituti di ricerca sparsi in tutto il mondo ed  ha come scopo principale proprio la scoperta  del Bosone di Higgs e lo studio delle caratteristiche di questa particella fondamentale, una volta scoperta.

2. LHC e ATLAS

Per guardare all’interno del mondo sub-nucleare, caratterizzato da dimensioni infinitesime, non sono sufficienti né i microscopi ottici, né i più moderni microscopi elettronici  ma si utilizzano gli acceleratori di particelle. Questi, permettono di studiare i costituenti fondamentali della materia, ovvero le particelle elementari,  milioni di milioni di volte più piccole delle strutture che possono essere studiate con i piu’ moderni microscopi.
I più potenti acceleratori oggi esistenti sono i cosiddetti “collisori”. All’interno della loro struttura ad anello le particelle, tipicamente elettroni o protoni, vengono accelerate e tenute sulla traiettoria circolare dell’anello grazie a campi elettromagnetici molto intensi fino a raggiungere elevatissime energie prossime a quelle della luce nel vuoto. Le particelle viaggiano concentrate in due fasci che si muovono in direzioni opposte e che vengono quindi fatti scontrare in punti prestabiliti, dove sono stati installati gli esperimenti che si occupano di studiare il prodotto delle collisioni. Nelle collisioni, l’energia delle particelle si trasforma in materia (in base alla famosa relazione di Einstein E=mc2) e come conseguenza dell’urto vengono generate particelle, note e altre  non ancora scoperte, come per esempio il bosone di Higgs.

I rivelatori di particelle, costruiti intorno al punto dove avvengono le collisioni, permettono di identificare e studiare le  principali proprietà delle particelle prodotte,  attraverso le interazioni delle particelle prodotte nella collisione con il materiale del quale è costituito il rivelatore.

Il collisore LHC accelererà in direzione opposta due fasci di protoni ciascuno fino all’energia massima di 7 TeV (7×1012 eV). La partenza dell’LHC e’ prevista in dicembre 2009. I fasci di protoni verranno fatti collidere in quattro zone diverse dell’anello: in una di queste è collocato l’esperimento ATLAS che contiene una serie di rivelatori specializzati nella misura della traiettoria, l’energia e l’impulso delle varie particelle prodotte.

 

3. Oltre il Modello Standard

Identificare  il bosone di Higgs non è però l’unico scopo di ATLAS. La fisica moderna infatti aspira a descrivere le quattro forze come aspetti diversi di un’unica forza fondamentale (proprio come la forza elettrica e la forza magnetica sono aspetti diversi della forza elettromagnetica).

Un passo molto importante verso una formulazione unificata e consistente è fornito dalla teoria chiamata supersimmetria, proposta gia’ negli anni 70. Questa teoria prevede una completa simmetria fra bosonifermioni e l’esistenza di superpartners (particelle supersimmetriche) delle particelle finora note, di massa maggiore rispetto a quella delle particelle che oggi riteniamo essere elementari.  L’energia prodotta nelle collisioni ad LHC dovrebbe permetterne l’osservazione nell’esperimento ATLAS.

La crescita dell’intensità delle interazioni gravitazionali con il quadrato della massa e quindi dell’energia rende difficile se non impossibile una teoria quanto-relativistica unificata e consistente delle particelle puntiformi. Negli ultimi anni si è quindi fatta strada l’idea che i costituenti fondamentali della materia siano piuttosto oggetti unidimensionali ossia stringhe molto più piccole dei quark e dei leptoni, con dimensioni cioè dell’ordine della scala di Planck (circa 1.6 x10-35 metri).

 Le teorie di stringhe  permettono di unificare la gravità con le altre interazioni in uno schema matematico elegante e consistente.  Le eccitazioni prive di massa di una stringa chiusa si comportano infatti come il gravitone mentre le eccitazioni prive di massa di una stringa aperta si comportano come il fotone, i gluoni o gli altri bosoni vettori del Modello Standard.

Queste teorie si basano sul concetto che oltre alle quattro dimensioni note del mondo macroscopico (tre spaziali e una temporale), possano esistere altre dimensioni, confinate su scale  sub-microscopiche e quindi non ancora osservate sperimentalmente. In particolare è stata formulata recentemente la cosidetta teoria-M che prevede un mondo a 11 dimensioni. L’esperimento ATLAS avra’ nei prossimi anni, accumulando un numero elevato di collisioni tra i protoni, anche la possibilità di far luce sulla validità o meno di queste teorie, ricercando tra i loro prodotti sia le particelle supersimmetriche che particelle di altro tipo previste nei modelli di stringhe a N-dimensioni.

Un altro problema irrisolto nel Modello Standard e che richiede il suo superamento e la formulazione di  una teoria piu completa e’ quello dell’osservazione della presenza nell’Universo della cosidetta ‘materia oscura’. Fino alla prima metà del 1900 si credeva che la quasi totalità della massa dell’Universo risiedesse nelle stelle; oggi invece sappiamo che queste costituiscono soltanto una percentuale irrisoria della materia cosmica (circa il 4%). La restante parte della massa dell’Universo non è visibile (cioè non emette radiazione elettromagnetica) e a tale massa mancante si dà appunto il nome di Materia Oscura.  La natura della Materia Oscura è ancora sconosciuta. Essa può avere varie componenti: una di tipo barionico (materia “ordinaria”, cioè fatta da atomi) e una, più “esotica”, di tipo non barionico.  Una ipotesi affascinante è la possibilità che la Materia Oscura sia composta da particelle elementari come il neutralino, previsto dalle teorie supersimmetriche. Oltre alla Materia Oscura, si ipotizza che esista una particolare forma di energia (nota come Energia Oscura), la quale, secondo il principio di equivalenza di Einstein (E = mc2), è in grado di dar conto della maggior parte della massa dell’Universo (circa il 70%).  La particolarità dell’Energia Oscura è che essa agisce come una gravità negativa, ovvero tende a far espandere l’Universo e si contrappone alla decelerazione dovuta all’attrazione gravitazionale della materia ordinaria e della materia oscura.

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