Che cosa fanno al CERN, il Big Bang, Hawking e Planet 9
24 Gennaio 2016
Immagino che molti di voi si saranno chiesti almeno una volta che cosa facciano i fisici al CERN di Ginevra. Magari alcuni lo sanno, altri no. Visto che nelle scorse newsletter abbiamo introdotto alcuni concetti di fisica, oggi possiamo parlarne con un po’ più di consapevolezza.
Di cosa parliamo
– cosa fanno al CERN (e che c’entra con l’universo)
– pillole della settimana
Al CERN di Ginevra fanno foto
Il CERN, l’organizzazione europea per la ricerca nucleare, è il più grande laboratorio di fisica del mondo e si occupa di fisica delle particelle. Investigare il mondo delle particelle è molto importante perché aiuta a comprendere il comportamento delle forze fondamentali e la ricchezza di fenomeni fisici che ci offre la natura. Inoltre al CERN è possibile produrre artificialmente delle condizioni presenti solamente all’origine dell’universo ed eventi che oggi non sarebbero altrimenti visibili o che sono molto rari.
Quanto è grande
Il CERN è un centro di ricerca enorme. Coinvolge circa 15 mila dipendenti, per la maggior parte ricercatori, provenienti da decine di paesi diversi. Questo dato non tiene però conto delle centinaia di apprendisti e studenti che collaborano con l’ente nonché di tutti gli scienziati che, pur non essendo al CERN, partecipano direttamente alla ricerca nel settore. Il centro è finanziato da 21 paesi europei e utilizza ogni circa 1 miliardo di euro. L’Italia, che versa circa 130 milioni, è il quarto contributore.
Cos’è, essenzialmente
In sostanza il CERN è una fitta rete di acceleratori di particelle. Un acceleratore di particelle è quello che dice di essere: un qualcosa che prende delle particelle e le accelera a grandi velocità – velocità prossime alla velocità della luce, in questo caso.
Nulla può andare più veloce della luce e, addirittura, le particelle con massa non possono mai raggiungere la velocità della luce. Più ci si avvicina alla velocità della luce, infatti, più serve energia per accelerare le particelle. Per questo gli esperimenti fatti al CERN hanno richiesto così tanto tempo, ricerca e investimenti tecnologici. Serve tanta energia e una tecnologia sviluppata per mantenere stabile l’intero esperimento.
Come funziona
Un acceleratore di particelle funziona più o meno così. Si prendono delle particelle facili da reperire – come ad esempio dei protoni, che si ricavano partendo da delle semplici bombole di idrogeno. I protoni, che hanno carica positiva, vengono attirati da dei poli con carica negativa e dunque accelerano verso di loro. Quando sono vicini ai poli negativi e stanno per sbatterci, il polo negativo si spegne e se ne accende uno un po’ più in là, come in una specie di domino. I protoni quindi continuano ad accelerare percorrendo un tunnel, che è tenuto a bassissime temperature (circa -272 gradi) per evitare che il calore interferisca con le particelle.
Cosa c’è di speciale al CERN che non c’è da altre parti
Ovviamente le particelle possono accelerare fino a quando non finisce il tunnel. Per riuscire a raggiungere velocità altissime è stato quindi creata una fitta rete di tunnel, alcuni dei quali circolari, dentro ai quali le particelle possono continuare a girare e ad essere accelerate. Il più grande acceleratore – e anche il più recente e famoso, – si chiama LHC. È circolare ed è lungo 27 Km.
E una volta accelerate?
L’obiettivo degli esperimenti è di far scontrare tra loro delle particelle e di vedere cosa accade. Durante uno scontro tra particelle, infatti, queste possono spezzarsi in più parti oppure unirsi tra loro. Insomma, possono nascere delle nuove particelle secondo le regole dettate dalla natura. Quando diciamo che le particelle si “scontrano”, significa più precisamente che le particelle arrivano molto vicine le une alle altre e interagiscono attraverso una o più delle quattro forze fondamentali di cui abbiamo parlato nella scorsa newsletter.
Per generare le collisioni, nei tunnel viaggiano quindi due fasci di particelle, uno in un senso, uno nell’altro, che si scontrano in alcuni punti. In corrispondenza di questi punti ci sono dei rilevatori, che sono delle enormi “macchine fotografiche” in grado di rilevare le particelle create e analizzarne alcune proprietà fisiche. CMS, ATLAS, ALICE e LHCb sono i rilevatori più famosi. Per farvi capire quanto sono grandi i rilevatori, questo è CMS.
Nell’animazione vedete una simulazione di come i rilevatori scattano le “foto” tracciando la traiettoria delle particelle che si creano.
Perché al CERN accelerano così tanto le particelle
I protoni sono particelle facili da reperire e tutto sommato leggere. Certo, molte particelle sono molto più leggere del protone, le si trovano anche facendo collidere i protoni a basse velocità e infatti le conosciamo da tempo. L’elettrone o i neutrini ne sono un esempio. Altre particelle però, soprattutto alcune particelle mediatrici delle forze – ne parleremo – sono molto più pesanti. Come è possibile, facendo scontrare due protoni “leggeri”, ottenere delle particelle molto più pesanti? D’altronde, come abbiamo studiato a scuola, nulla si crea e nulla si distrugge: in un incidente tra due motorini non ci aspettiamo certo di veder apparire il rottame di un camion, giusto?
Tuttavia Einstein ci ha insegnato che la massa si può trasformare in energia e viceversa. È la famosissima – e molto fraintesa – formula E=mc2, dove E è l’energia di un corpo, m la sua massa relativistica e c è la velocità della luce (Bonus per i puristi: quella m è appunto la massa relativistica ed equivale alla massa del corpo come è comunemente intesa solo se il corpo è fermo. Se invece il corpo si muove la formula è un po’ più complicata).
L’idea è dunque questa. Prendiamo delle particelle “leggere” e acceleriamole ad altissime velocità. Esse acquistano una grande energia E, che permette, trasformando l’energia in massa durante le collisioni, di far comparire particelle con una massa m maggiore di quella di partenza.
C’è poi un altro motivo per accelerare le particelle e, paradossalmente, funziona al contrario. Come detto alcune particelle sono molto più leggere del protone e molto più piccole. Alcune di queste sono dunque particelle sfuggenti che non si vedono quasi o proprio mai. Per vedere queste particelle bisogna farle interagire con qualcosa delle loro dimensioni. Una zanzara che sbatte contro un camion non si nota, siete d’accordo? Per la meccanica quantistica e in particolare per la legge di De Broglie, per interagire con una particella molto piccola bisogna utilizzare delle particelle a velocità molto grande (servirebbero due formulette e qualche nozione di meccanica quantistica per convincersi. Voi vi fidate, ok?). In questo caso, quindi, più si accelerano i protoni più è facile vederli interagire con delle particelle piccole. L’acceleratore funziona perciò come un “microscopio” potentissimo.
Ecco perché in questi anni l’energia di LHC è stata gradualmente innalzata fino quasi al massimo, 13 TeV (più di 49miliardi di kcal). In questo modo è stato possibile vedere particelle molto sfuggenti e “crearne” altre molto pesanti, come ad esempio il Bosone di Higgs – qualsiasi cosa sia, come al solito.
Cosa c’entra con l’universo
Come abbiamo detto, al CERN è possibile studiare particelle molto piccole o molto sfuggenti creando artificialmente le condizioni per renderle visibili. Sono condizioni così estreme che erano presenti in natura all’origine dell’universo, pochissimo tempo dopo il Big Bang (cos’è?). Studiare i fenomeni fisici in queste condizioni, quindi, ci permette di comprendere i processi che hanno dato origine all’universo come lo conosciamo oggi.
Inoltre alcuni rilevatori sono stati creati proprio per rispondere a certe domande che riguardano la natura dell’universo. LHCb, ad esempio, si occupa di capire – studiando delle reazioni molto particolari – perché nell’universo c’è molta più materia che antimateria (tranquilli, ne parleremo).
Pillole
Alcune notizie di questi giorni, brevi.
A proposito di Big Bang
È stata proposta da alcuni fisici una nuova teoria sull’evoluzione dell’universo. L’ipotesi è che l’inflazione, il rapido processo di espansione dell’universo che seguì il Big Bang, sia avvenuto in due fasi, anziché in una sola. Un approfondimento alla portata di tutti si trova qui.
Che si dice di Hawking
Trovate questi giorni un po’ ovunque la notizia che il fisico Stephen Hawking avrebbe risolto un problema riguardante i buchi neri chiamato paradosso dell’informazione. È una questione piuttosto tecnica, difficile da spiegare in parole povere a meno di banalizzarla. Magari un giorno ci proviamo (per ora rimando alle note). Hawking è indubbiamente un genio, ma faccio notare che è la quarta volta che propone una soluzione a questo paradosso.
Non ho una particolare opinione a proposito di quest’ultimo articolo di Hawking – anche perché devo ancora leggerlo – ma il processo di santificazione a cui vanno incontro gli scienziati quando diventano famosi è un problema di non poco conto per l’intera comunità scientifica: capita spesso che le opinioni di alcune menti geniali vengano ritenute vere a prescindere. Ma anche i grandi sbagliano. Einstein, per dire, non credeva alla meccanica quantistica. Eppure oggi tutti i fisici la ritengono una teoria scientifica piuttosto solida. Quando si leggono notizie come queste bisogna sempre ricordare che una proposta non diventa automaticamente una verità, indipendentemente da chi la formula.
SpaceX, kaboom
Domenica scorsa il lanciatore Falcon 9 di SpaceX, già usato nella missione Orbcomm-2, ha mandato in orbita con successo il satellite Jason 3. È la prima volta che un lanciatore viene usato con successo in due missioni spaziali. Questa volta il rientro verticale del Falcon 9 non era previsto sulla terraferma, ma su una chiatta in mezzo all’oceano. Il razzo ha centrato la chiatta, atterrando verticalmente. Poi però una gamba si è rotta ed è esploso (qui il video con audio).
Un nuovo pianeta nel Sistema Solare?
Uno articolo pubblicato ieri sostiene di aver provato, grazie allo studio delle orbite di alcuni oggetti nella fascia di Kuiper – una zona remota del Sistema Solare oltre il pianeta Nettuno – l’esistenza di un nono pianeta con 10 volte la massa della Terra. A differenza di quello che dice Repubblica, il pianeta non è stato “scoperto”. Un articolo scientifico ne sostiene l’esistenza, ma ora spetta agli astronomi trovarlo, se c’è. Come già detto, una proposta non diventa automaticamente una verità.
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Per approfondire
– La fisica delle particelle spiegata a una pulce di Marco DelMastro
– Un video che dà l’idea della complessità del CERN
– Le “foto” fatte dal rilevatore CMS al CERN
– Il modello Standard delle particelle elementari
– Il paradosso dell’informazione, su Wikipedia
Buon anno, si comincia
31 Dicembre 2015
Buon anno nuovo a tutti! Per cominciare con il passo giusto oggi ci riscaldiamo con qualche curiosità facendo un bel riassuntone di cosa è successo di figo nel 2015. Le “lezioni” di cui vi parlavo cominciano con la prossima newsletter. L’idea è quella di partire pian piano, magari legando l’argomento della newsletter ai fatti della settimana, per poi alzare un po’ il tiro. Prometto, niente formule o discorsi incomprensibili. Quando non sono chiaro, scrivetemi. Così come se aveste delle richieste o dei suggerimenti.
La mia mail è spacebreak [at] francescobussola.it
Di cosa parliamo
– un 2015 veramente figo
– la cometa Catalina, per l’ultima volta
– cosa ci aspettiamo dal 2016
Un 2015 veramente figo
Per quanto riguarda l’esplorazione spaziale, il 2015 è stato un anno di svolta, sia dal punto di vista tecnologico che scientifico. Ecco alcune delle notizie più belle.
Amazon ne sa a pacchi
La compagnia Blue Origin di Jeff Bezos, fondatore di Amazon, sta da tempo provando a sviluppare un lanciatore – un razzo – riutilizzabile per il turismo spaziale, ossia per permettere a gente molto ricca di andare nello spazio, anche solo per pochi minuti. Dopo una serie di test, il 23 Novembre partendo da una base in Texas il razzo New Shepard ha viaggiato a oltre 100 Km di altitudine trasportando una capsula senza equipaggio. La capsula è atterrata con dei paracaduti mentre il razzo è tornato verticalmente a terra utilizzando il propulsore di coda per rallentare la caduta.
Solitamente i lanciatori utilizzati per i lanci spaziali vengono persi nello spazio o distrutti quando ricadono verso la terra e entrano a contatto con l’atmosfera. La possibilità di riutilizzarli permetterà di risparmiare tempo e costi.
Tony Stark esiste e si chiama Elon Musk
Elon Musk è un imprenditore sudafricano, fondatore di PayPal, Tesla Motors, Solar City, in sella a numerosi progetti ambiziosi come la costruzione del treno Hyperloop o lo sviluppo batteria casalinga Tesla Powerwall (ci ritorneremo, un giorno). La sua compagnia SpaceX collabora da tempo con la NASA per la creazione di un lanciatore riutilizzabile per rifornire con minori costi la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), un satellite che orbita intorno alla terra e ospita continuamente da tre a sei astronauti per periodi non inferiori a tre mesi. Periodicamente vengono inviati alla stazione cibo, acqua, vestiti e strumenti scientifici. I lanciatori disponibili per inviare questi rifornimenti sono di quattro tipi: Antares e Atlas V (USA), Falcon (SpaceX) e Soyuz (RUS). Tutti questi lanciatori non sono riutilizzabili e di questi solo l’ultimo è adatto a inviare astronauti.
Negli anni scorsi SpaceX ha investito molto e, con i suoi razzi Falcon, è stata la prima azienda privata a recuperare un veicolo spaziale, a viaggiare verso la ISS e a superare l’orbita terrestre.
Dopo parecchi test e un paio di tentativi falliti, il 22 Dicembre SpaceX è riuscita nell’impresa di far atterrare verticalmente il primo stadio del proprio lanciatore Falcon 9, in maniera analoga a quanto fatto dal New Shepard di Blue Origin. Per chi non lo sapesse, spesso i razzi sono divisi in “stadi”, ossia il motore è diviso in più parti. Quando il primo stadio, cioè la prima parte del motore, finisce il carburante si stacca e si avvia il secondo stadio e così via.
Dicevo, il primo stadio del Falcon 9 è riatterrato verticalmente sulla terra, così come ha fatto Blue Origin. Tuttavia, mentre nel caso di Blue Origin si trattava di un volo verticale di prova, il rientro del Falcon 9 è stato effettuato durante una missione per depositare undici satelliti in orbita. Questo significa che il razzo non è stato lanciato verticalmente, ma che il motore principale, quando si è staccato per tornare a terra, aveva una grande velocità orizzontale. La velocità orizzontale è infatti necessaria ai satelliti per non ricadere sulla terra come farebbe una pallina da tennis lanciata verticalmente in aria.
Come hanno detto durante la diretta, quello che è accaduto è come lanciare una matita sopra l’Empire State Building, dividerla in due, girarne un pezzo, farlo tornare indietro e depositarlo verticalmente al suolo. Insomma, più o meno come in questa animazione.
Il video completo della missione lo si trova qui sotto. Il delirio comincia al minuto 32, quando il motore principale, già staccato dal resto del razzo, sta per atterrare verticalmente.
Philae si è svegliato
Il lander Philae è un piccolo robot che è stato depositato dalla sonda Rosetta sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko il 12 Novembre 2014, dopo dieci anni di viaggio nello spazio. L’atterraggio sulla cometa fu un grande successo tecnologico e scientifico, ma fu anche molto rocambolesco. Dopo aver rimbalzato un paio di volte facendo salti di qualche centinaio di metri, Philae si agganciò alla superficie della cometa – che, ricordo, non è una stella anche se noi la chiamiamo così, – ed entrò in ibernazione, ossia “in letargo”. Finì infatti in una zona diversa da quella prevista, una zona non abbastanza illuminata dal Sole per permettere ai suoi pannelli solari di farlo funzionare.
Gli scienziati hanno aspettato pazientemente per mesi che il lander fosse meglio illuminato dal Sole e la scorsa estate, nel periodo compreso tra Giugno e Luglio, sono riusciti a comunicare più volte con Philae trasmettendo comandi e ricevendo pacchetti di dati che verranno analizzati per comprendere meglio l’origine e la formazione delle comete.
Lisa Pathfinder
Con quattro anni di ritardo, il 3 Dicembre, Lisa Pathfinder, una sonda di prova costruita dall’Agenzia Spaziale Europea, ha cominciato il suo viaggio nel Sistema Solare. Lo scopo di Lisa è quella di testare le tecnologie che serviranno in futuro per eLISA, una missione con l’obiettivo di rilevare la presenza delle onde gravitazionali. Che cosa siano le onde gravitazionali, perché quasi tutti credono nella loro esistenza e perché ancora ci sfuggono lo vedremo nelle prossime newsletter. Per ora Lisa si trova nei paraggi di un punto del Sistema Solare chiamato L1. È un punto molto importante, ma vedremo in seguito perché.
LHC ha raggiunto il limite
Il Large Hadron Collider è un enorme acceleratore di particelle e si trova a Ginevra. È un grosso anello che serve per accelerare delle particelle e farle scontrare. Più le particelle vanno veloci quando si scontrano, infatti, più è facile “fotografare” alcuni fenomeni fisici molto rari o molto sfuggenti.
Abbiamo tutti sentito parlare di LHC nel 2012, quando – parola di Repubblica e dei Maya – il mondo stava per finire inghiottito da un buco nero, poi nel 2013, quando è stata confermata la scoperta del bosone di Higgs – qualsiasi cosa sia, per ora – e successivamente all’inizio del 2015, quando la fisica italiana Fabiola Gianotti è diventata direttore generale del CERN, il centro di ricerca europeo che lavora anche con LHC.
Nel maggio 2015, dopo due anni di pausa tecnica, LHC è stato riattivato ed ha accelerato delle particelle subnucleari fin quasi al suo massimo teorico, una velocità corrispondente a una energia di 13 TeV.
I risultati di questi esperimenti arriveranno nei prossimi mesi. In particolare tutti stanno aspettando di vedere se verranno rilevate delle particelle dette supersimmetriche (SUSY). Sono delle particelle particolari, con delle proprietà particolari, previste da alcune teorie fisiche molto innovative.
Se anche così non se ne trovassero potrebbe essere un duro colpo per la Teoria delle Stringhe, che ne richiede l’esistenza. Per la legge del contrappasso, la teoria fisica che più è salita alla ribalta della tv è sempre più in difficoltà di fronte all’evidenza dei fatti: dopo quarant’anni dalla sua prima formulazione non si è ancora trovato alcun riscontro delle sue predizioni più importanti.
Non è la fine della Teoria delle Stringhe, ma diciamo che molti fisici stanno perdendo interesse. Ne parleremo.
Buon compleanno Relatività Generale!
Parlando invece di teorie fisiche che hanno avuto parecchio successo, quest’anno si è celebrato il centenario della Teoria della Relatività Generale, proposta da Einstein nel 1915.
Per chi conosce l’inglese e ha otto minuti, in questo video il fisico Brian Greene, ospite al Late Show di Stephen Colbert in onda su CBS, spiega a modo suo l’idea che sta dietro a questa teoria.
Acqua su Marte
Lo scorso Settembre la NASA ha annunciato la probabile presenza di acqua liquida su Marte (e se c’è acqua liquida c’è molto probabilmente qualche forma di vita, almeno unicellulare). Dal 2010 si sono viste infatti sulla superficie di Marte delle striature stagionali che si ingrandiscono durante l’estate e spariscono in inverno. L’analisi spettroscopica delle striature ha rilevato la presenza di perclorati, dei sali che si depositano sul terreno in presenza di acqua liquida.
Eppure un nuovo studio pubblicato qualche giorno fa su Nature geoscience mette in discussione questa conclusione sostenendo che non è necessaria la presenza di acqua per avere queste formazioni. Potrebbe trattarsi di anidride carbonica liquida. Si vedrà.
New Horizon e Plutone
La sonda New Horizon, lanciata nel 2006, ha raggiunto Plutone lo scorso Luglio. Da allora ha scattato magnifiche foto di quello che era considerato l’ultimo pianeta del Sistema Solare e della sua “luna”, Caronte. Oggi Plutone è classificato come pianeta nano, ma le foto di New Horizon sono comunque fantastiche.
La cometa Catalina, per la prima e ultima volta
In questi giorni è visibile in cielo la cometa Catalina. Una cometa, come detto prima, non è una stella, ma un oggetto roccioso, ricoperto di ghiacci, polveri e gas che viaggia nello spazio. Quando la cometa si avvicina al Sole i ghiacci si sciolgono, i gas si ionizzano e le polveri si disperdono: è la coda della cometa. Catalina è una cometa “di passaggio” con due code, una fatta dalla scia di gas e una dalle polveri. Sta attraversando il Sistema Solare e non tornerà mai più. Per vederla bisogna svegliarsi verso le tre di notte e guardare verso Est. In questi giorni tra l’altro è facile da trovare anche ad occhio nudo perché è vicinissima ad Arturo, la seconda stella più luminosa del nostro emisfero. L’immagine, scattata lo scorso Agosto, si ingrandisce cliccando.
Brevemente, che 2016 sarà
Dal 2016 ci aspettiamo grandi cose.
Come detto arriveranno sempre più dati dal CERN ed è possibile, ma non è detto, che vengano scoperte nuove particelle. Gli esperimenti al CERN comunque non si fermeranno qua e andranno avanti ancora per un bel po’ di anni.
Tutti i fisici poi sperano che il 2016 possa essere l’anno della rilevazione delle onde gravitazionali. Oltre all’esperimento eLISA, che però verrà lanciato solo nel 2034, ci sono altri due esperimenti importanti, VIRGO e LIGO. Questi esperimenti sono effettuati sulla terra e non nello spazio, ma potrebbero dare presto dei risultati.
Blue Origin e SpaceX, con i loro lanciatori riutilizzabili, stanno mettendo le basi per una nuova epoca di esplorazioni spaziali. Se anche il 2016 sarà un anno di successi mi sbilancio a dire che riusciremo tutti a vedere durante la nostra vita un uomo mettere piede su Marte. I progressi tecnologici dell’ultimo anno puntano tutti in quella direzione.
Ah, nel 2016 sentiremo probabilmente ancora parlare di qualche scienziato americano che ha inventato il teletrasporto quantistico con l‘entaglement e adesso, figata, faremo i viaggi nello spazio e avremo dei mega computer quantici che fanno cose. Non sarà così.
Magari parleremo dell’entaglement, un giorno, ma con calma.