Fisica nucleare e subnucleare/La scoperta delle particelle elementari

Nell'acceleratore LHC vengono accelerati fasci composti ognuno da 2808 bunches, distanti almeno 25 ns l'uno dall'altro. Ogni fascio contiene $1.15\cdot 10^{11}$ protoni, ed è lungo circa 30 cm. In genere fra alcuni bunches possono esserci dei buchi, necessari per l'ottimizzazione dell'energia utilizzabile sul fascio (misurando l'energia del singolo bunch si può capire come modificare i campi magnetici per controllarli meglio), mentre "buchi" più grandi, detti "abort gap", servono per poter "dampare" il fascio stesso (ossia disfarsene facendolo impattare contro bersagli appositamente progettati). LHC non accelera però solo protoni, ma anche ioni pesanti come nuclei di Pb, perché la parte più moderna della fisica nucleare sfrutta collisioni di nuclei pesanti per studiare le proprietà dei nuclei, in particolare il quark-gluon plasma, che si pensa essere stato il primo stato della materia dopo il big bang. I protoni o i nuclei di Pb vengono prodotti con collisioni a targhetta fissa, per essere prima accelerati a basse energie nell'acceleratore LIMAC, poi a energie più alte nel Proton Synchroton; successivamente, vengono accelerate ad energie elevatissime nel Super Proton Synchroton (l'acceleratore dove Rubbia ha scoperto i bosoni $W^{\pm }$ e $Z^{0}$). A questo punto, i fasci vengono immessi nell'anello principale, per essere ulteriormente accelerati e poi sottoposti alle collisioni nei punti dove ci sono i rivelatori. Questi non sono altro che materia strutturata in modo ben preciso, di modo tale che misurando la perdita di energia di una particella al suo interno si può risalire alle proprietà della particella madre. In particolare, nei rivelatori si ricostruiscono le tracce delle particelle per determinarne la massa invariante. L'elemento più importante nella costruzione di un acceleratore sono i magneti: la forza necessaria per mantenere una particella in un'orbita circolare aumenta con la velocità della particella stessa, a raggio fissato. Pertanto, ad ogni "giro" del fascio bisogna aumentare il campo magnetico, ossia la corrente che circola nelle bobine. Per poter lavorare con grandi correnti senza dissipare troppa energia si usano elettromagneti superconduttori (a temperature molto basse); al momento il campo magnetico che si riesce a produrre nell'acceleratore è di circa 8.3 T, e quindi si riescono ad accelerare particelle fino a energie di circa 7 TeV. In tutto LHC ci sono 1232 dipoli magnetici disposti lungo l'acceleratore: con questi si cerca di collimare il fascio all'interno del "tubo".

Ma perché abbiamo cominciato a studiare la fisica delle particelle elementari? In questa parte di corso ripercorriamo le tappe storiche che hanno portato alle maggiori scoperte in questo campo.