Fisica delle Particelle

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La fisica delle particelle studia i costituenti fondamentali della materia, le cosiddette particelle elementari, e le loro interazioni. Questi studi permettono di aumentare la nostra comprensione della natura dell'infinitamente piccolo e sono anche anche necessari per la descrizione dell’Universo nei suoi primissimi istanti di vita quando aveva dimensioni inferiori ad una mela ed era un gas di particelle elementari che si scontravano a grande energia.

Per osservare in laboratorio il comportamento delle particelle elementari sono stati costruiti grandi acceleratori in cui protoni o elettroni vengono portati a velocità prossime a quella della luce e ad energie molto elevate. Facendo scontrare “testa testa” due protoni accelerati si creano nuove particelle tramutando energia in materia secondo la nota relazione di Einstein E=mc^2. Le particelle prodotte vengono misurate da grandi apparati sperimentali costruiti attorno al punto di collisione dei protoni. La macchina acceleratrice più potente costruita fino ad oggi e’ il Large Hadron Collider (LHC) che si trova al CERN di Ginevra. La Scuola Normale partecipa attivamente a due dei quattro esperimenti installati sull’acceleratore: CMS ed LHCb. Lo LHC e’ lungo 27 km ed e’ situato in un tunnel sotterraneo a circa centro metri di profondità.

Gli esperimenti effettuati negli ultimi decenni e gli avanzamenti nella loro interpretazione teorica - premiati con più di trenta premi Nobel - hanno portato alla costruzione di una teoria, nota sotto il nome di Modello Standard, che descrive efficacemente le interazioni fra le particelle. Il Bosone di Higgs, recentemente scoperto dagli esperimenti ATLAS e CMS nelle collisioni dei protoni accelerati dallo LHC, e’ l’ultimo di una serie di scoperte che permettono di raffinare il Modello Standard spiegando in questo caso come tutte le particelle hanno acquisito la massa che noi osserviamo. E quindi perché possono esistere gli atomi, il mondo in cui viviamo e noi stessi. Rimangono pero’ ancora molte domande senza risposta: perché abbiamo evidenza che oggi c’e’ solo materia nell’ Universo e non antimateria? Cosa e’ la Materia Oscura che e’ stata osservata nel Cosmo e che e’ cinque volte più’ abbondante della materia come noi la conosciamo? Queste sono due tra le molte domande cui cercheremo risposta con nuovi esperimenti ad energia sempre più’ elevata.

Le macchine acceleratrici e gli esperimenti che misurano le particelle prodotte nelle collisioni sono apparati altamente complessi, al limite della tecnologia esistente. I programmi di ricerca in fisica delle particelle si svolgono su periodi molto lunghi e richiedono l’impegno di grandi comunità di migliaia di fisici ed ingegneri per il progetto, la costruzione ed il funzionamento. La ricerca e lo sviluppo per la messa in opera di questi programmi ha spesso prodotto delle ricadute dirette sulla società. L’esempio più’ eclatante e’ il World Wide Web, nato al CERN per far comunicare efficientemente gli scienziati di queste grandi collaborazioni scientifiche internazionali, che si e’ espanso velocemente fino a diventare il principale strumento di comunicazione globale di questo nuovo millennio. Molte sono anche le ricadute in campo medico: gli strumenti di diagnostica avanzata (Risonanza Magnetica Nucleare, PET) e la cura dei tumori con la terapia adronica sono nati dallo sviluppo di apparati per la ricerca in fisica delle particelle.

La fisica sperimentale delle particelle elementari e’ quindi un esempio di cooperazione internazionale efficiente, che unendo insieme i migliori fisici del mondo offre un'opportunità di fare esperienza e di formarsi a giovani scienziati come gli allievi ed i perfezionandi della Scuola Normale.

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