NON SOLO HIGGS

LHC ed il programma Ioni Pesanti
                     di Danilo Jaccarino 

Danilo Jaccarino, Fisico

In questi ultimi mesi si è sentito spesso parlare del bosone di Higgs, la cosiddetta “particella di Dio”, e della sua possibile rivelazione all’LHC (Large Hadron Collider) di Ginevra. Tanto da far dimenticare che l'ineffabile bosone non è certo l'unico scopo per cui LHC è stato concepito.

In effetti, percorrendo idealmente i 27 km di tunnel dell'acceleratore, due su tre degli esperimenti che incontriamo sono a esso dedicati: c’è però un quarto esperimento che prende il nome dall'acronimo "A Large Ion Collider Experiment”. ALICE vanta una collaborazione scientifica composta da 1200 scienziati provenienti da 30 paesi in tutto il mondo, incluso un consistente gruppo di italiani dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Il suo compito è studiare il Quark-Gluon Plasma (QGP), lo stato in cui si pensa si trovasse la materia dell'Universo durante il suo primo secondo di vita. Il QGP, osservato per la prima volta al CERN nel 2000 grazie all’acceleratore SPS (Super Proton Synchrotron), uno dei più celebri antenati di LHC, è lo stato in cui si trova la materia alla più alta temperatura mai raggiunta in laboratorio.

Peter Higgs: Wikipedia

Per comprendere cosa succeda alla materia in queste condizioni estreme facciamo un esperimento mentale aiutati da un po' di chimica di base. Immaginiamo una pentola d'acqua sul fuoco: sappiamo bene che a 100° C l'acqua bolle, passa cioè dallo stato liquido a quello di vapore. L'energia sprigionata dal gas metano che brucia nel fornello serve a rompere i legami che tengono impacchettate le molecole d'acqua, cosicché esse sfuggono e si librano leggere nell'aria da sole o in piccoli gruppi. Se potessimo scaldare l'acqua a una temperatura dell'ordine di 10 milioni di gradi, la stessa che si trova nel nucleo del Sole, l'energia a disposizione romperebbe non solo i legami delle molecole liberando gli atomi di idrogeno ed ossigeno che le compongono, ma strapperebbe a tutti gli atomi gli elettroni orbitali trasformando l’acqua iniziale in un “plasma”, un gas completamente ionizzato fatto da nuclei di idrogeno e ossigeno positivi ed elettroni negativi.

Potendo spingerci poi a una temperatura ancora più alta di quella presente nel nucleo del Sole, questa volta di miliardi di gradi, neppure i nuclei riuscirebbero ad esistere: in tali condizioni la cosiddetta "forza forte", così chiamata proprio perché più forte di quella elettromagnetica, non solo non sarebbe più in grado di tenere attaccati i neutroni e i protoni nei nuclei ma neppure i quark e i gluoni, le particelle di cui protoni e neutroni sono a loro volta composti. Secondo quanto osservato all’SPS nel 2000 e previsto dalla teoria, tutte le particelle elementari che costituiscono la materia si troverebbero in uno stato di plasma altamente ionizzato che prende appunto il nome di Quark Gluon Plasma.

Come si studia questo fenomeno ad ALICE? Le altissime temperature richieste si ottengono facendo urtare ioni pesanti ad energie altissime - e dunque velocità estremamente prossime a quella della luce. Pesanti perché sono nuclei di piombo che contengono protoni e neutroni in numero variabile tra 207 e 208, ma che essendo estremamente leggere rispetto a ciò che umanamente percepiamo come pesante, possono essere accelerate ad LHC ad energie che corrispondono nel centro di massa dell’urto a 2,76 Tev per nucleone, non tramite spinte o motori, ma grazie a forti campi magnetici.

Il QGP generato negli urti all'interno di ALICE corrisponde ad un plasma in cui la temperatura raggiunge i 4 10¹² K, circa 250.000 volte superiore a quella nel nucleo del Sole. L’effetto è la creazione di una fireball di quark e gluoni che espandendosi si raffredda fino a riprodurre barioni e mesoni, proprio quello che potrebbe essere accaduto nei primi 100 millisecondi di vita dell’Universo.

Ogni "capello" è la traccia lasciata da una particella nata all'interno dei rivelatori di ALICE in una singola collisione tra due nuclei di Piombo. Generalmente alle energie coinvolte se ne contano decine di migliaia. 

Tutto ciò non accade sempre, ma solo per circa un mese all'anno. Durante questo periodo invece di far collidere protoni si fanno collidere nuclei di piombo ad altissime energie e dai prodotti della fireball gli scienziati di ALICE, tutti curiosi come l'omonima protagonista del romanzo di Lewis Carroll, potranno forse capire qualcosa di più sull’interazione forte e le proprietà avute dalla materia durante il primo secondo di vita del nostro Universo.

Danilo Jaccarino 

APPROFONDIMENTI 

Pagina INFN di LHC Italia: http://www.infn.it/lhcitalia/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=3&Itemid=11 

Pagina CERN (francese, inglese): http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html