Le forze nucleari in gioco: gli acceleratori

Quando lo scorso anno, l’italiana Fabiola Gianotti, insieme ai suoi colleghi al Cern, ha annunciato a tutto il mondo la prova definitiva dell’esistenza del bosone di Higgs, il grande pubblico ha finalmente potuto vedere da vicino il superprotosincrotone del CERN di Ginevra. Questa organizzazione, avvolta da un’aura di rispetto e misticismo, anche per la rappresentazione letteraria data da un romanzo di Dan Brown, è impegnata da decenni a scoprire l’intima essenza della materia e dispone di strumenti all’avanguardia, tra i quali – appunto – il celebre acceleratore di particelle. Ma che tipo di esperimenti si fanno al CERN e in cosa consiste l’accelerazione delle particelle atomiche?

Forza nucleare forte e debole

Oltre alla forza nucleare forte, che lega unito il nucleo, grazie ai neutroni, esiste anche una forza nucleare debole (chiamata anche forza debole), che opera all’interno dell’atomo e si stima che sia 100.000 volte più debole dell’interazione elettromagnetica ed è responsabile del decadimento radioattivo di molti nuclei atomici e dello stesso neutrone. In pratica il decadimento di un atomo avviene proprio a causa di questa forza debole. Un neutrone, al di fuori dell’atomo, possiede una vita di durata assai limitata. Dopo nemmeno un quarto d’ora esso “decade”, frammentandosi in un protone, un neutrino ed un elettrone. Il neutrino è balzato – ahinoi – agli onori della cronaca quando l’allora ministro della Cultura (!) ci costruì sopra una gaffe memorabile, è comunque una cosiddetta particella fantasma, con una massa modesta o nulla e praticamente priva di carica elettrica. Perciò non risente affatto della forza nucleare forte e dell’interazione elettromagnetica, ma solo della forza nucleare debole. I neutroni che sono trattenuti nei nuclei dell’atomo in genere non decadono e per questo motivo abbiamo la stabilità tipica degli atomi, che tendono ad assestarsi per formare la materia (che altrimenti sarebbe informe o appunto soggetta in modo costante ad altre forze). Gli atomi radioattivi, quelli meno stabili, emettono invece elettroni e neutrini.

All’interno dell’atomo: le particelle elementari

Da un primo sguardo all’interno della struttura più semplice della materia, si inferisce che esistano almeno quattro particelle elementari o subatomiche: gli elettroni, i neutrini, i protoni e i neutroni. I più grandi tra questi sono i nucleoni, cioè le particelle che fanno parte del nucleo, mentre neutrini ed elettroni sono infinitamente più piccoli, con un diametro approssimativo pari a 10 alla meno 18 metri. I neutroni e i protoni sono inoltre sensibili all’interazione forte, non così per elettrone e neutrino. Allo scopo di comprendere ulteriormente la natura di questa interazione forte, che in qualche modo contrappone elettrone e protone, i fisici accelerano un fascio di particelle ad alta energia e lo usano per bombardare un bersaglio. Nei sincrotoni, per esempio quello del CERN o del Fermi Lab, i fasci di particelle vengono accelerati secondo una traiettoria circolare, che percorre diversi chilometri sottoterra, per migliaia di volte all’interno di questo tubo anulare, percorrendo regioni di campo elettrico. Elettromagneti disposti intorno all’anello mantengono le particelle nella loro traiettoria in circolo. L’SPS del CERN (http://home.web.cern.ch/about/accelerators/super-proton-synchrotron) consente di far viaggiare i protoni a velocità prossime a quelle della luce. In questo modo si creano delle condizioni tali, da simulare l’inizio dell’universo. Infatti, il ruolo degli acceleratori è quello di capire le interazioni tra la materia e dimostrare che in determinate condizioni, simili a quelle che si suppongono nella teoria del Modello Standard, è possibile prevedere e formare nuove particelle. Il bosone di Higgs è appunto fondamentale per comprendere la formazione della massa nel Modello Standard, teoria che dovrebbe mettere in accordo tutte le forze (Grand Unified Theory, ma il modello standard non tiene conto della fondamentale forza di gravità). Vedi per approfondimenti: http://it.wikipedia.org/wiki/Modello_standard