Al CERN i protoni viaggiano al 99,9999991% della velocità della luce: cosa succede nelle collisioni

Nel Large Hadron Collider (LHC) del CERN, tunnel sotterraneo lungo 27 chilometri, miliardi di protoni corrono in due direzioni opposte spinti da magneti superconduttori. Viaggiano al 99,9999991% della velocità della luce, compiendo oltre 11 mila giri al secondo. Quando due protoni si incontrano, avviene una collisione e l’urto ricrea condizioni simili a quelle dell’Universo primordiale. Questi esperimenti hanno permesso di scoprire il Bosone di Higgs, studiare la struttura del protone e sondare fenomeni rarissimi. E ora il CERN ha avviato un lungo shutdown per potenziare la macchina e inaugurare una nuova era della fisica delle alte energie.

Scontro tra protoni: quando l’energia diventa materia

Un protone non è un oggetto solido, una pallina: è un sistema dinamico di quark legati da gluoni, che trasportano la forza forte. Durante la collisione ciò che si scontra davvero sono questi costituenti interni, non i protoni come oggetti interi. Per capire cosa succede, può aiutarci un parallelismo. Se due macchinine si scontrano ad elevata velocità, otteniamo dei detriti: pezzi di telaio, ruote, specchietti, frammenti dei materiali di cui erano fatte. L’urto "spezza" ciò che esisteva già nelle macchine prima dello scontro.

Con i protoni alla velocità della luce, invece, accade qualcosa di radicalmente diverso. Quando si scontrano, non si ottengono solo i pezzi di cui sono fatti (quark e gluoni). L’energia dell’urto è così alta che la materia originale si trasforma in energia e questa energia instabile si riconverte in nuova massa, generando particelle che prima non esistevano. Si creano quindi muoni, fotoni, elettroni, quark e talvolta bosoni pesanti come W, Z o lo stesso Bosone di Higgs. È come se due macchinine si scontrassero e, invece di produrre solo frammenti, dall’energia dell’impatto nascessero nuovi oggetti: un’arancia, una bicicletta, un tostapane. Nella fisica delle particelle ad alta energia, l’urto non "rompe": crea nuova materia. Gli esperimenti del CERN, come ATLAS e CMS, registrano questi frammenti con rivelatori a strati, ricostruendo l’evento come un film tridimensionale.

Perché servono così tante collisioni: la fisica delle particelle

La maggior parte degli urti produce processi comuni, descritti dal Modello Standard. Ma alcuni fenomeni sono rarissimi, come la produzione del Bosone di Higgs. Per questo il CERN accumula enormi quantità di dati. Più collisioni significano più possibilità di osservare deviazioni, anomalie, segnali di nuove particelle o interazioni. La fisica delle alte energie è una scienza statistica: si cerca un ago in un pagliaio di miliardi di eventi. Ogni collisione è dunque una finestra sull’infinitamente piccolo. Studiare questi urti significa capire quali siano le leggi che governano la natura, se esistano nuove particelle e come si comporti l’Universo.

Perché l'acceleratore del CERN si ferma

Dopo anni di attività, alla fine di giugno 2026 il CERN è entrato nella fase di Long Shutdown, un lungo fermo programmato durante il quale saranno aggiornate le infrastrutture dell'acceleratore. I lavori prevedono la rimozione e la sostituzione di magneti e altri componenti lungo 1,2 chilometri dell’impianto, oltre a un ammodernamento dei rivelatori. L’obiettivo è trasformare l’attuale macchina nell’High-Luminosity LHC (HL-LHC), una versione potenziata del Large Hadron Collider che entrerà in funzione nel 2030 e potrà raccogliere fino a dieci volte più collisioni. La maggiore quantità di dati e l’aumento della precisione permetteranno di approfondire lo studio di fenomeni già noti, come il Bosone di Higgs, e di individuare processi rarissimi o possibili segnali di una fisica ancora inesplorata.

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