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SCIENZAinATTO/ Per guardare di cosa siamo fatti. La ricerca al Large Hadron Collider (LHC) del CERN

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Il tunnel dell'LHC del Cern  Il tunnel dell'LHC del Cern

Per conoscere la realtà occorre «vederla». È un’affermazione che sembra banale, se ci limitiamo all’esperienza di tutti i giorni: ci basta la luce; i primi strumenti come il «cannone ochiale» di Galileo sono stati sufficienti per aprire una nuova visione del cosmo. Ma se ci addentriamo a livello atomico e subatomico, la natura ondulatoria della luce non permette più di vedere gli oggetti, a causa del fenomeno della diffrazione. Occorrono lunghezze d’onda sempre più piccole: prima radiazioni elettromagnetiche di grande frequenza come i raggi X, poi, scendendo ancora di dimensioni, il ricorso alla natura ondulatoria della materia. Ma non basta: per penetrare nella più intima struttura della materia, «vedere» significa sottoporre la materia a interazioni ad altissime energie, e registrare gli eventi che ne conseguono attraverso sofisticatissimi strumenti. L’autore ci guida verso questa visione dell’estremamente piccolo, fino alle grandi energie del Large Hadron Collider (LHC) che permette di indagare a distanze di 10-18 m, alla ricerca del Bosone di Higgs e della Materia Oscura.

 

 

 

 

La vista è come un ponte gettato tra noi e la realtà: ci permette, come nessuno degli altri sensi, di entrare in contatto con la realtà e di conoscerla. Non per niente il gesto educativo forse più ripetuto da un padre o una madre al figlio è «guarda!», come a dire: impara, renditi cosciente di ciò che esiste. Guarda, guarda bene!, cioè usa la vista per renderti conto che siamo immersi in una realtà diversa da noi ma che è a noi affine.
Quindi l’uso della vista è strutturale alla nostra presa di coscienza della realtà e anche da adulti non cessiamo di viaggiare, o di navigare su Internet, per guardare, per vedere. Dunque la vista come mezzo fondamentale, come strumento unico, al servizio della ragione per indagare la realtà, per capirne e carpirne l’essenza; la vista come ponte gettato dall’io verso la realtà a cui e da cui siamo irresistibilmente attratti. Tanto improntante che all’inizio stesso della nostra civiltà sta quella frase: «Dio disse: "Sia la luce". E la luce fu».(1)
Per questo tra gli atti fondatori della scienza moderna è annoverata la scoperta delle lune di Giove di Galileo Galilei nel gennaio 1610 a Padova: le osservazioni di quelle sere dal 7 al 15 gennaio nel giardino del Borgo di via dei Vignali sono state decisive per lo sviluppo della conoscenza. [Immagine a sinistra: Galileo Galilei (1564-1642) (ritratto di Ottavio Leoni)]
Le lenti, che erano già in uso da circa trecento anni, da allora non sono più state utilizzate solo per scopi pratici, ma per vedere più a fondo l’Universo, per aprirsi su una realtà meravigliosa e fino allora inosservabile.
Il «cannone ochiale» di Galileo fu il risultato di brillanti intuizioni e di paziente e ingegnoso lavoro tecnico e permise al grande scienziato pisano di vedere la nuova luce, di «vedere cose mai viste prima», come riportò nella prima grande comunicazione scientifica dell’era moderna, l’instant book con cui comunicò al mondo che un nuovo orizzonte si apriva.(2)
La percezione di sé e del cosmo dell’uomo occidentale, e poi dell’intera umanità, non sarebbe mai più stata come prima.
Il 30 marzo 2010 il grande acceleratore di particelle LHC al CERN di Ginevra superava il limite di energia da lui stesso stabilito nel dicembre 2009, e stabiliva il nuovo record di energia di collisione, circa 3,5 volte di più del precedente acceleratore negli USA. Una nuova luce, questa volta sull’infinitamente piccolo è stata accesa, e dei nuovi occhi, capaci di vedere questa nuova luce, si sono aperti al CERN: noi pensiamo sia l’inizio di un nuovo passo fondamentale nella conoscenza, un passo che ci porta ad andare al di là dei confini noti. Attratti irresistibilmente dall’ignoto, speriamo di essere i piccoli epigoni dell’Ulisse Dantesco(3), forse la figura più emblematica di questa spinta verso l’incognito che, come vedremo, ci attira verso l’origine e ci riempie di meraviglia per la possibilità di vedere e comprendere una realtà che ci appare sempre più estesa e sempre più ricca dei nostri modelli teorici.

 

 

Gli acceleratori di particelle per una vista più acuta

 

Un limite alla nostra vista è dovuto alla quantità di luce. Se una sorgente ha una luce troppo fioca, non la vedo: il mio rivelatore (i fotorecettori dell’occhio) non ha abbastanza sensibilità se i fotoni sono troppo pochi, se arriva troppa poca energia luminosa. Esiste però un altro limite molto importante: la capacità di distinguere due oggetti molto vicini tra loro, detta potere risolutivo.
Il potere risolutivo dipende ultimamente dalla lunghezza d’onda impiegata. Se utilizzo luce visibile, con ? che va da 0,76 a 0,4 µm non posso vedere come distinti due oggetti distanziati da 0,1 µm. Se utilizzo i raggi X, cioè una «luce» con lunghezza d’onda cento volte più corta, posso osservare in modo distinto oggetti cento volte più vicini, cioè separati di solo 1 nm (0,001 µm).
Si può diminuire ancora e impiegare luce con lunghezza d’onda ancora più corta? Certo si possono impiegare raggi X molto penetranti con lunghezza 0,1 nm o raggi ? di 0,01 nm o ancora meno. Tuttavia la sorgente diventa molto complessa, al punto da diventare un acceleratore. Difatti oggi le sorgenti più precise sono acceleratori che generano raggi X chiamati: luce di sincrotrone.
Per esempio, l’acceleratore “ELETTRA” di Trieste fornisce fasci intensissimi di raggi X da 1-10 nm, mentre la macchina in costruzione a Amburgo, European X-ray Free Electron Laser detta XFEL, sarà in grado di fornire fasci molto brillanti di raggi X a 0,1 nm (1 angstrom, come si usava dire una volta). [Immagine a destra: Acceleratore “ELETTRA” a Trieste, dove si produce luce di sincrotrone a raggi X per vedere nanostrutture, non osservabili con luce visibile]
Oggigiorno la relativa facilità con cui si possono avere immagini a livello del nanometro, cioè un miliardesimo di metro, con vari strumenti ha reso possibile lo sviluppo delle tecnologie in questo settore: le nanotecnologie sono appunto una delle frontiere della tecnologia del nostro tempo e si basano, tra l’altro, sulla disponibilità dei nanoscopi, ovvero dei microscopi che superando la barriera della luce ottica, permettono di vedere sino al nm. Comunque sia la lunghezza d’onda impiegata per vedere limita, per diffrazione, la risoluzione spaziale dell’oggetto: la vista non è assoluta ma dipende dal tipo di «luce» che si impiega per vedere e questo limite rimane vero anche se potessi ingrandire gli oggetti a dismisura. Ma si può andare oltre la «nanovisione»?

 

Le particelle sono onde

 

Nel 1924 il fisico francese Louis de Broglie (1892-1987) completò la rivoluzione di Einstein (la luce, onda per eccellenza, è fatta di corpuscoli, i fotoni), formulando l’ipotesi che le particelle a loro volta abbiano un comportamento ondulatorio.



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