Entriamo nel più grande laboratorio al mondo per lo studio della fisica delle particelle: il Cern, a Ginevra. Arrivando con il tram 18 dalla stazione di Ginevra, ecco il mitico palazzo dove è installato il Large Hadron Collider, il più grande e potente acceleratore di particelle al mondo. I pannelli e i ponti in vetro del palazzo del CERN trasparente rappresentano l’impegno alla collaborazione tra culture e Paesi diversi per aprire a tutti le porte della scienza. Per visitare questo gigantesco tempio della scienza ci sono diverse opzioni: due esposizioni permanenti, tour guidati e un percorso ciclabile per scoprire la fisica delle particelle.
L’iconico edificio, ispirato alla struttura tubolare degli acceleratori del CERN, comprende cinque aree che ospitano mostre, laboratori, un auditorium modulare, un negozio e un ristorante. Totalmente “carbon neutral” per le emissioni di anidride carbonica, la struttura ha quasi 4.000 metri quadrati di pannelli solari e 400 alberi e migliaia di cespugli piantati tutti intorno per collocare il CERN nel mezzo di una foresta vivente
Quando fu fondato il Cern, la struttura della materia era un mistero. Oggi sappiamo che tutta la materia visibile nell’Universo è composta da un numero notevolmente piccolo di particelle, il cui comportamento è governato da quattro forze distinte: la forza forte, la forza debole, la forza elettromagnetica e la forza gravitazionale. Lavorano su gamme diverse e hanno punti di forza diversi. La gravità è la più debole ma ha una portata infinita. Anche la forza elettromagnetica ha una portata infinita ma è molte volte più forte della gravità. Le forze deboli e forti sono efficaci solo su un raggio molto breve e dominano solo a livello delle particelle subatomiche. La forza debole è più debole della forza forte e della forza elettromagnetica, ma è comunque molto più forte della gravità. La forza forte, come suggerisce il nome, è la più forte di tutte e quattro le interazioni fondamentali.
La nostra migliore comprensione di come queste particelle e tre delle forze sono correlate tra loro è incapsulata nel Modello Standard della fisica delle particelle. Sviluppato nei primi anni ’70, ha spiegato con successo quasi tutti i risultati sperimentali e predetto con precisione un’ampia varietà di fenomeni. Nel corso del tempo e attraverso molti esperimenti, il Modello Standard si è affermato come una teoria fisica ben testata. Il CERN ha svolto un ruolo fondamentale nel raggiungere questa comprensione.
Nel corso degli anni ’60, furono avanzate teorie per spiegare due forze – la forza debole e la forza elettromagnetica – nello stesso quadro. Negli anni ’70, un esperimento del CERN portò le prime prove sperimentali per queste idee, e negli anni ’80 la scoperta del W e Z particelle – portatori della forza debole – hanno portato conferma della teoria. Ricercatori del CERN Simon van der Meer e Carlo Rubbia condiviso il Premio Nobel per la fisica 1984 per questa scoperta.
Anche se il Modello Standard è attualmente la migliore descrizione che esista del mondo subatomico, non spiega il quadro completo. La teoria incorpora solo tre delle quattro forze fondamentali, omettendo la gravità. Ci sono anche domande importanti a cui non risponde, come “Cos’è la materia oscura?”, o “Cosa è successo all’antimateria dopo il big bang?”, “Perché ci sono tre generazioni di quark e leptoni con una scala di massa così diversa?” e altro. Ultima ma non meno importante è una particella chiamata Bosone di Higgs, componente essenziale del Modello Standard.
Il 4 luglio 2012, il ATLANTE e CMS esperimenti al CERN Grande collisore di adroni (LHC) ha annunciato di aver osservato ciascuno una nuova particella nella regione di massa intorno a 126 GeV. Questa particella era coerente con il bosone di Higgs ma ci volle ulteriore lavoro per determinare se fosse o meno il bosone di Higgs previsto dal Modello Standard. Il bosone di Higgs, come proposto all’interno del Modello Standard, è la manifestazione più semplice del meccanismo di Brout-Englert-Higgs. Altri tipi di bosoni di Higgs sono previsti da altre teorie che vanno oltre il Modello Standard.
L’8 ottobre 2013 il premio Nobel per la fisica è stato assegnato congiuntamente a François Englert e Peter Higgs “per la scoperta teorica di un meccanismo che contribuisce alla nostra comprensione dell’origine della massa di particelle subatomiche, e che recentemente è stato confermato attraverso la scoperta della particella fondamentale prevista, dagli esperimenti ATLAS e CMS presso il Large Hadron Collider” del CERN.
Quindi, sebbene il Modello Standard descriva accuratamente i fenomeni all’interno del suo dominio, è ancora incompleto. Forse è solo una parte di un quadro più ampio che include nuova fisica nascosta nel profondo del mondo subatomico o negli oscuri recessi dell’universo. Nuove informazioni provenienti da esperimenti presso l’LHC ci aiuteranno a trovare altri di questi pezzi mancanti.
Nel CERN si può visitare l’esposizione chiamata «Microcosmo» ed avere l’opportunità di parlare con fisici e ingegneri del loro lavoro. Interessante è seguire il circuito LHC al piano terra seguendo il percorso ciclabile «Passport to the Big Bang», per scoprire l’enorme acceleratore di particelle. Sono disponibili tour guidati, ma solo su prenotazione.
Il Cern ha inaugurato ad ottobre 2023 lo Science Gateway, centro all’avanguardia per l’educazione scientifica e la cultura, realizzato da Renzo Piano come luogo in cui scienziati e pubblico possono interagire quotidianamente. La costruzione è durata poco più di due anni: la posa della prima pietra dell’edificio è avvenuta il 21 giugno 2021, per un costo di circa 100 milioni di franchi svizzeri, finanziati esclusivamente attraverso donazioni. In particolare, la Stellantis Foundation ha contribuito con 45 milioni di franchi svizzeri. Tra i principali donatori vi è anche la Fondation Hans Wilsdorf, la fondazione LEGO, la Loterie Romande, la Ernst Göhner Stiftung, Rolex, la Carla Fendi Foundation, la Fondation Gelbert, Solvay, la Fondation Meyrinoise du Casino e la città di Meyrin,
Con la nuova struttura il CERN accoglie ogni anno tra i 300mila e i 500mila visitatori dai cinque anni in su che potranno vivere un’esperienza immersiva nelle scoperte, nella scienza e nelle tecnologie.
La mostra «Universo delle particelle» illustra le questioni su cui stanno lavorando i fisici del CERN: visto che l’intero universo è fatto di particelle, da dove vengono queste ultime? E perché si comportano in una determinata maniera?
Tra le aree più particolari da esplorare Back to the big bang, 200 metri quadrati per ripercorrere le diverse tappe di evoluzione dell’universo, con il supporto di una timeline e di strumenti interattivi.
foto di Anna Maria De Luca
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