Obiettivi e applicazioni

Lo scopo principale del CERN è quello di fornire ai ricercatori gli strumenti necessari per la ricerca in fisica delle alte energie, ovvero quella branca della fisica che studia i costituenti fondamentali della materia, le cosiddette particelle elementari, e le loro interazioni attraverso esperimenti che si avvalgono di macchine acceleratrici sempre più potenti. Questi sono appunto principalmente gli acceleratori di particelle, che portano nuclei atomici e particelle subnucleari ad energie molto elevate, e i rivelatori che permettono di osservare i prodotti delle collisioni tra fasci di queste particelle.

La missione del CERN si incentra su quattro aspetti:

• Ricerca: fare ricerca e trovare le risposte alle domande sull’universo

• Tecnologia: Avanzare le frontiere della tecnologia

• Collaborazione: far collaborare le nazioni insieme attraverso la scienza

• Educazione: occuparsi della formazione dei ricercatori del domani.

Attraverso questi quattro aspetti che si trovano alla base della formazione del cern si è stilato un elenco di obiettivi da raggiungere entro la fine dell’anno:

-utilizzare il nostro acceleratore di livello mondiale, l'LHC, al suo massimo potenziale durante la sua fase di alta luminosità;

-fornire mantenere e aggiornare continuamente un programma scientifico diversificato e complementare al servizio di un'ampia comunità, compreso il contributo a progetti di neutrini a lungo termine al di fuori dell'Europa;

-prepararsi per un progetto di acceleratore ad alta energia post-LHC attraverso studi di progettazione (CLIC e FCC) e un vigoroso programma di ricerca e sviluppo sull'acceleratore (AWAKE e altri).

Oltre alla scienza, il CERN mira anche a:

-essere una voce politicamente neutrale per la scienza, sostenendo gli investimenti nella ricerca fondamentale e nella politica basata sull'evidenza;

-costruire ulteriori legami con l'industria in termini di trasferimento di conoscenze dal CERN all'industria;

formare una nuova generazione di scienziati e ingegneri;

ispirare e alimentare la consapevolezza scientifica in tutti i cittadini.

Il Modello Standard

Tra i grandi obbiettivi che il CERN vuole perseguire c’è quello di unificare tutte e quattro le forze fondamentali dell’universo e dimostrare che sono tutte manifestazioni di un’unica forza. Infatti, ci sono quattro forze fondamentali all’opera nell’universo: la forza forte, la forza debole, la forza elettromagnetica e la forza gravitazionale. Tre di queste forze risultano dallo scambio di particelle portatrici di forza, che appartengono a un gruppo più ampio chiamato “bosoni”. Ogni forza fondamentale ha il suo bosone corrispondente: la forza forte è trasportata dal “gluone”, la forza elettromagnetica è trasportata dal “fotone” e i “bosoni W e Z” sono responsabili della forza debole. Sebbene non sia stato ancora trovato, il "gravitone" dovrebbe essere la corrispondente particella di gravità che trasporta la forza. Il Modello Standard include le forze elettromagnetiche, forti e deboli e tutte le loro particelle portatrici, e spiega bene come queste forze agiscono su tutte le particelle di materia. Tuttavia, la forza più familiare nella nostra vita quotidiana, la gravità, non fa parte del Modello Standard, poiché inserire comodamente la gravità in questa struttura si è rivelata una sfida difficile. La teoria quantistica usata per descrivere il micromondo e la teoria generale della relatività usata per descrivere il macromondo sono difficili da inserire in un unico quadro. Nessuno è riuscito a rendere i due matematicamente compatibili nel contesto del Modello Standard. Ma fortunatamente per la fisica delle particelle, quando si tratta della minuscola scala delle particelle, l'effetto della gravità è così debole da essere trascurabile. Solo quando la materia è in massa, alla scala del corpo umano o dei pianeti, per esempio, l'effetto della gravità domina. Quindi il Modello Standard funziona ancora bene nonostante la sua riluttante esclusione di una delle forze fondamentali. Anche se il Modello Standard è attualmente la migliore descrizione che ci sia del mondo subatomico, non spiega il quadro completo. La teoria incorpora solo tre delle quattro forze fondamentali, omettendo la gravità. Ci sono anche domande importanti a cui non risponde, come “Cos’è la materia oscura? ”, oppure “ Cosa è successo all'antimateria dopo il big bang? ” Queste domande hanno portato la comunità scientifica a considerare l’eventualità di una “Quinta forza fondamentale”.

https://videos.cern.ch/record/1950520

Il bosone di Higgs

Una componente essenziale del Modello Standard. Il bosone di Higgs è una particella fondamentale nel mondo della materia perché è quella particella che conferisce la massa. Proprio per questo motivo è stata soprannominata “particella di Dio”. Di recente, gli scienziati del CERN di Ginevra hanno rilevato un raro evento di decadimento del bosone di Higgs, giungendo così a una scoperta che potrebbe contribuire ad accrescere le attuali conoscenze sulla fisica quantistica e, in particolare, sulla misteriosa materia oscura. La rilevazione del bosone Higgs avvenne per la prima volta nel 2012 grazie agli esperimenti condotti dal Large Hadron Collider (LHC) del CERN, il più grande acceleratore di particelle al mondo. La scoperta valse, nell’ottobre del 2013, il conferimento del Premio Nobel per la Fisica a Peter Higgs. Secondo il Modello Standard, il bosone di Higgs ha una vita brevissima e decade molto rapidamente in particelle più piccole, come due fotoni, la materia di cui è composta la luce. Ora, usando i rivelatori ATLAS e CMS dello stesso LHC, gli scienziati hanno assistito al decadimento del bosone in un fotone e due leptoni, un altro tipo di particella elementare. I fisici hanno trovato prove che il bosone di Higgs può decadere in un fotone e una coppia di elettroni, o in un fotone e una coppia di muoni con carica opposta. Tale disintegrazione è alquanto rara e può avvenire con tre differenti metodi, ovvero tramite un bosone Z intermedio, un fotone virtuale, o per irradiazione di un fotone allo stato finale da parte di un leptone. Subito dopo il Big Bang , il campo di Higgs era zero, ma, quando l'Universo ha cominciato a raffreddarsi e la temperatura è scesa al di sotto di un certo valore critico, il campo è cresciuto spontaneamente. In questo modo tutte le particelle che interagiscono con questo campo hanno acquisito massa. Più una particella interagisce con questo campo, più è massiccia. Particelle come il fotone, che non interagiscono con il campo, si trovano totalmente prive di massa. Come tutti i campi fondamentali, il campo di Higgs è associato a una particella, il bosone di Higgs. Il bosone di Higgs è la manifestazione visibile del campo di Higgs, proprio come l'onda sulla superficie del mare.

Gli acceleratori

Il CERN comprende 7 acceleratori principali, costruiti in vari periodi a partire dalla sua fondazione. Tutte le funzioni dei vari acceleratori sono coordinate da un unico segnale di riferimento, generato da un sistema di orologi atomici e distribuito per tutta l’installazione, con un precisione dell’ordine del nanosecondo.

Gli acceleratori principali del CERN sono:

- LHC (Large Hadron Collider), che sostituì il LEP (Large Electron-Positron Collider) e che permette di studiare le particelle elementari in condizioni sperimentali paragonabili a quelle dei primi momenti di vita dell’Universo, subito dopo il Big Bang.

- SPS (Super Proton Synchrotron), che alimenta l’LHC con gli ioni piombo e che ha funzionato come collisero protone-antiprotone e come stadio finale di accelerazione per gli elettroni e i positroni da iniettare nel LEP.

- PS (Proton Synchrotron), che riceve protoni dal Proton Synchrotron Booster e ioni di piombo dal Low Energy Ion Ring.

- Proton Synchrotron Booster, che viene utilizzato per esperimenti separati come ISOLDE, che studia nuclei instabili di isotopi molto pesanti

- LEIR (Low Energy Ion Ring)

- Due LINAC, o acceleratori lineari, dai quali dipende tutta la catena di acceleratori.

LHC (Large Hadron Collider)

L’LHC è il più grande e potente acceleratore di particelle al mondo. È costituito da un anello di 27 chilometri di circonferenza formato da magneti superconduttori e strutture acceleranti che aumentano l'energia delle particelle che circolano in esso. All'interno dell'acceleratore, due fasci di particelle viaggiano ad energie molto elevate e vicine alla velocità della luce prima di scontrarsi tra loro. I fasci circolano in direzioni opposte, in tubi separati posti sotto vuoto molto alto (ultra alto vuoto) . Sono guidati lungo l'anello dell'acceleratore da un forte campo magnetico, generato da elettromagneti superconduttori. Questi ultimi sono costituiti da bobine di uno speciale cavo elettrico funzionante in uno stato superconduttore, ovvero conducendo elettricità senza resistenza o perdita di energia. Per questo, i magneti devono essere raffreddati a -271°C, una temperatura più fredda di quella dello spazio esterno.. Questo è il motivo per cui buona parte dell'acceleratore è collegata a un sistema di distribuzione di elio liquido che raffredda i magneti così come altri sistemi ausiliari. Cinque diversi esperimenti (CMS, ATLAS, ALICE, LHCb e TOTEM) sono attualmente in funzione ognuno dei quali studia le collisioni tra particelle con metodi diversi e facendo uso di tecnologie differenti.

Lep

Il Large Electron-Positron (LEP) collider è stato il progetto principale al CERN dal 1989 al 2000. È stato poi sostituito dall’LHC.

I principali risultati sperimentali di LEP sono stati:

• dimostrare l'esistenza di sole 3 famiglie di neutrini;

• verificare la possibile esistenza del bosone Higgs;

• studiare approfonditamente il bosone Z0 responsabile dell'interazione debole;

• misurare la massa del bosone W;

• misurare la massa del quark top tramite correzioni radioattive.

Informatica

Il primo computer arrivò al CERN nel 1959, da allora i fisici cominciarono ad avvalersi di strumenti informatici. Cominciò così una nuova era di ricerca, in cui gli esperimenti producevano una quantità di dati tale da rendere impossibile la sola elaborazione umana. I fisici iniziarono ad utilizzare calcolatori e software per filtrare ed elaborare la grande quantità di dati considerati significativi per l’esito degli esperimenti.

La nascita del web

Tim Berners-Lee, un ricercatore britannico, ha inventato il Web al CERN nel 1989. Originariamente, il progetto, soprannominato "World Wide Web", è stato progettato e sviluppato per consentire agli scienziati che lavorano nelle università e negli istituti di tutto il mondo di scambiarsi informazioni all'istante. Nacque come progetto marginale nel 1980 chiamato ENQUIRE basato sul concetto dell'ipertesto (anche se Berners-Lee ignorava ancora la parola ipertesto), un insieme di documenti messi in relazione tra loro per mezzo di parole chiave. Con lo scopo di scambiare efficientemente dati tra chi lavorava a diversi esperimenti è stato introdotto al CERN nel 1989 con il progetto WorldWideWeb, il primo browser sviluppato sempre da Berners-Lee. Inoltre Tim Berners-Lee sviluppò le infrastrutture che servono il Web e cioè il primo server web (funzionante con linguaggio HTMLe protocollo HTTP). Il 30 aprile 1993 il CERN annunciò che il World Wide Web sarebbe stato libero per tutti. Nel 1993 la NCSA rilasciò il primo browser grafico, Mosaic: da quel momento lo sviluppo del www fu inarrestabile. Il 12 giugno 2019 il CERN annunciò l'avvio del progetto MAlt (Microsoft Alternatives project): lo sviluppo di un software open source, mirato a sostituire il software di Microsoft. Gli scopi dell'iniziativa sono: evitare i costi divenuti insostenibili, riprendere il controllo del software di base, evitare la dipendenza da un fornitore