CERN

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Coordinate: 46°14′03″N 6°03′10″E / 46.23417, 6.05278

L'area che ospita il CERN tra Francia e Svizzera. È evidenziato il tracciato dell'acceleratore LHC.

Il CERN, Organisation européenne pour la recherche nucléaire, (storicamente il nome è l'acronimo di Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), è il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle. Si trova al confine tra Svizzera e Francia alla periferia ovest della città di Ginevra. Qui i fisici cercano di esplorare i segreti della materia e le forze che regolano l'universo. La convenzione che istituiva il CERN fu firmata il 29 settembre 1954 da 12 stati membri. Oggi fanno parte del CERN 20 stati membri più alcuni osservatori anche extraeuropei.

Il CERN esiste soprattutto per fornire ai ricercatori gli strumenti necessari per la ricerca in fisica delle alte energie attraverso complessi esperimenti. Questi strumenti sono 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. Ad energie sufficientemente elevate, i prodotti di queste reazioni possono essere radicalmente differenti dai costituenti originali dei fasci, e a più riprese sono state prodotte e scoperte in questa maniera particelle fino a quel momento ignote.

[modifica] L'acronimo

L'acronimo deriva dalla storia del CERN, infatti dopo la seconda guerra mondiale si sentì il bisogno di fondare un centro europeo all'avanguardia per la ricerca, per ridare all'Europa il primato nella fisica, dato che in quegli anni i principali centri di ricerca si trovavano tutti negli Stati Uniti. A questo scopo venne riunito un consiglio di scienziati, che decise in seguito di costruire il laboratorio.

C'è un po' di confusione a proposito del vero significato della prima lettera dell'acronimo, tanto che informalmente viene modificato in Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (Centro Europeo per la Ricerca Nucleare). Tuttavia la ragione sociale del CERN è da molti anni European Organization for Nuclear Research.

[modifica] Il complesso degli acceleratori

Il complesso degli acceleratori del CERN (non in scala)

Il complesso degli acceleratori del CERN comprende sette acceleratori principali, costruiti in vari periodi a partire dalla fondazione dell'istituto. Fin dal principio, è stato previsto che ogni nuova e più potente macchina avrebbe utilizzato le precedenti come "iniettori", creando una catena di acceleratori che porta gradualmente un fascio di particelle ad energie sempre più elevate. Difatti, ogni tecnologia di accelerazione delle particelle ha dei ben precisi limiti di energia operativa massima e minima, e nessuna macchina del CERN oltre agli acceleratori lineari può accettare particelle "ferme".

Per consentire il funzionamento di questa catena, tutte le funzioni degli acceleratori sono coordinate da un unico segnale di riferimento, generato da un sistema di orologi atomici e distribuito per tutta l'installazione, con una precisione dell'ordine del nanosecondo.

Due LINAC, o acceleratori lineari, che generano particelle a basse energie, che successivamente vengono immesse nel PS Booster. Uno fornisce protoni a 50 MeV, l'altro ioni pesanti. Sono noti come Linac2 e Linac3, rispettivamente. Tutta la catena di acceleratori successiva dipende da queste sorgenti.
Il PS Booster, che aumenta l'energia delle particelle generate dai LINAC prima di iniettarle nel PS. (fino a 1500 MeV per i protoni, ovvero 1.5 GeV). Viene inoltre utilizzato per esperimenti separati, come ad esempio ISOLDE (Isotope Separator On-line), che studia nuclei instabili di isotopi molto pesanti ed è dotato di un suo piccolo LINAC dedicato chiamato REX-ISOLDE.
Il Proton Synchroton da 28 GeV (PS), costruito nel 1959.
Il Super Proton Synchrotron (SPS), un acceleratore circolare di 2 km di diametro, costruito in un tunnel, che iniziò a funzionare nel 1976. Originariamente aveva un'energia di 300 GeV, ma è stato potenziato più volte fino agli attuali 450 GeV per protone. Oltre ad avere una propria linea di fascio rettilinea per esperimenti a bersaglio fisso, ha funzionato come collisionatore protone-antiprotone e come booster finale per gli elettroni e i positroni da iniettare nel Large Electron Positron Collider (LEP). Riprenderà questo ruolo per i protoni e gli ioni piombo richiesti da LHC.
Il Large Hadron Collider (LHC), attualmente nelle fasi finali della sua costruzione, che ha rimpiazzato il LEP. 27 chilometri di circonferenza e 7000 GeV di energia massima per fasci di protoni (7 TeV), la più alta della storia.

[modifica] Successi scientifici

Alcuni importanti successi nel campo della fisica delle particelle sono stati possibili grazie agli esperimenti del CERN. Per esempio:

La scoperta della corrente neutra nel 1973 nella camera a bolle Gargamelle.
La scoperta dei bosoni W e Z nel 1983 negli esperimenti UA1 e UA2 dell'SPS.

Nel 1983 il premio Nobel per la fisica fu assegnato a Carlo Rubbia e Simon van der Meer per quest'ultima scoperta.

Nel 1992 il premio Nobel per la fisica fu assegnato a Georges Charpak "per l'invenzione e lo sviluppo dei rivelatori di particelle, in particolare della camera proporzionale multifilo".

[modifica] LEP

Il Large Electron-Positron (LEP) collider è stato il progetto principale al Cern dal 1989 al 2000. Questa macchina è stata in grado di accelerare elettroni e positroni fino a 100 GeV, un'energia cinetica che corrisponde a velocità prossime a quelle della luce. L'acceleratore è stato costruito in un tunnel sotterraneo di 27 Km, a circa 100 metri di profondità, ed era composto in gran parte da magneti collegati l'uno all'altro lungo tutto il tunnel, che curvano la traiettoria delle particelle accelerate mantenendole in "orbita" nel tubo a vuoto che li attraversava al centro. A intervalli regolari, tra questi magneti noti come dipoli erano interposte le camere di accelerazione che effettivamente fornivano energia alle particelle, e magneti più complessi necessari per guidare il fascio (quadrupoli, sestupoli, etc.) Questa è la tecnologia del sincrotrone, utilizzata in tutte le macchine del CERN dal PS Booster in poi.

Lo scopo di questo progetto è stato osservare cosa succede quando si scontrano elettroni e positroni. Fino alla fine del 1995, l'obiettivo del LEP è stato studiare la particella Z0 (LEP1): dal 1995 in poi l'energia è stata gradualmente aumentata per studiare la produzione di coppie di W+W- e per portare avanti la ricerca della particella di Higgs e di nuovi fenomeni al di là del metodo standard. Ci sono infatti forti ragioni teoriche per aspettarsi che tutta una nuova fisica si debba aprire ad energie non troppo più alte della massa dell'Higgs. Il bosone Higgs, se esiste, è la causa dell'esistenza della materia. I risultati principali di LEP sono stati:

Dimostrare che esistono solo 3 neutrini
Verificare che il bosone Higgs può esistere veramente
Uno studio approfondito sul bosone Z0 responsabile dell'interazione debole
Misurare la massa del bosone W
Misura della massa del quark top tramite correzioni radiative

Il LEP ha lavorato grazie a dei grossi detector, il principale è il detector Delphi. Il detector è rivestito di particolari tegole con dei sensori che rilevano l'ampiezza del cono causato dall'effetto Čerenkov, quando una particella attraversa uno spazio denso lascia una traccia a forma di cono, la cui ampiezza dipende dalla particella. Questi sensori costituiti da magneti rilevano solo particelle cariche, anche per questo non sono stati ancora individuati i neutrini.

[modifica] LHC, l'acceleratore del futuro

La costruzione del rivelatore CMS

Gran parte del lavoro che viene svolto oggi al CERN è finalizzato alla costruzione del Large Hadron Collider (Grande collisionatore di adroni) e alla preparazione degli esperimenti collegati. Il progetto dovrebbe essere completato e operativo nel maggio 2008^[1]. L'acceleratore viene costruito all'interno dello stesso tunnel circolare di 27 km di lunghezza in precedenza utilizzato dal LEP (Large Electron Positron collider), che ha smesso di funzionare nel novembre 2000. Il complesso di acceleratori PS/SPS verrà utilizzato per pre-accelerare i protoni che in seguito verranno immessi nell'LHC. Il tunnel si trova a 100 m di profondità in media, in una regione compresa tra l'aeroporto di Ginevra e i monti Giura. Cinque diversi esperimenti (CMS, ATLAS, ALICE, LHCb e TOTEM) sono in fase di costruzione, ognuno di essi studierà le collisioni tra particelle con metodi diversi e facendo uso di tecnologie differenti.

Al momento della collisione, l'energia raggiunta all'interno dell'LHC sarà di 14 TeV. L'acceleratore necessiterà di un fortissimo campo magnetico per mantenere il fascio nella traiettoria dei 27 km e sarà utilizzata la tecnologia dei superconduttori. La progettazione dell'LHC è un lavoro che richiede una precisione straordinaria, basti pensare ad esempio che è necessario tenere conto dell'influenza della forza di attrazione gravitazionale esercitata dalla Luna sulla crosta terrestre e dei disturbi elettrici provocati dal passaggio dei treni in superficie ad un chilometro di distanza.

[modifica] Dove è nato il Web

immagine del primo browser web

Il World Wide Web è nato al CERN nel 1989, da un'idea di Tim Berners-Lee e Robert Cailliau. Nacque come progetto marginale nel 1980 chiamato ENQUIRE basato sul concetto dell'ipertesto (anche se Berners-Lee ignorava ancora la parola ipertesto). 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 web server.

Il 30 aprile 1993 il CERN annunciò che il World Wide Web sarebbe stato libero per tutti. Una copia della prima pagina web, creata da Berners-Lee, è disponibile qui.

Nel 1993 la NCSA rilasciò il primo browser grafico, Mosaic. Da quel momento lo sviluppo del www fu inarrestabile.

[modifica] Un laboratorio di pace

Al CERN persone da tutte le parti del mondo si incontrano, collaborano, discutono; riescono a lavorare insieme persone provenienti da paesi in guerra tra loro (israeliani e palestinesi ad esempio, ma dicono che è un successo riuscire a far collaborare anche francesi ed inglesi). In questo senso il CERN è un laboratorio di pace.

« Il CERN è stato fondato meno di 10 anni dopo la costruzione della bomba atomica. Penso che l'esistenza della bomba abbia avuto una grande importanza nel rendere possibile il CERN. L'Europa è stata teatro di violente guerre per più di duecento anni. Adesso, con la fondazione del CERN, abbiamo qualcosa di diverso.

Spero che gli scienziati al CERN si ricordino di avere anche altri doveri oltre che proseguire la ricerca nella fisica delle particelle. Essi rappresentano il risultato di secoli di ricerca e di studio per mostrare il potere dello spirito umano, quindi mi appello a loro affinché non si considerino tecnici, ma guardiani di questa fiamma dell'unità europea, così che l'Europa possa salvaguardare la pace nel mondo. »

(Isidor Isaac Rabi, al trentesimo anniversario del CERN (1984))