CERN: come funziona e qual è l’utilità dell’acceleratore di particelle svizzero

Di tanto in tanto scoppiano sul web delle polemiche in merito al CERN, l'acceleratore di particelle svizzero situato in provincia di Ginevra, presso il comune di Meyrin. Si tratta di uno tra i centri di ricerca più importanti al mondo per quanto riguarda lo studio delle particelle elementari e molta gente si chiede quale sia l'effettiva utilità di questa struttura. In questo articolo cercheremo quindi di fare chiarezza, andando a vedere non solo cos'è il CERN e come funziona ma anche quali sono i suoi obiettivi e i principali traguardi raggiunti in questi anni.

Cos'è e a cosa serve il CERN?

Il CERN, come riportato anche dal Ministero dell'Università e della Ricerca, è uno tra i laboratori più grandi del mondo ad occuparsi di fisica delle particelle, fornendo ai ricercatori strumenti per effettuare ricerca in fisica delle alte energie. Le sue origini risalgono agli anni '40, per fermare la fuga di cervelli in America durante la seconda guerra mondiale e per donare unità all'Europa del dopoguerra. La sua geolocalizzazione fu scelta sia perché la Svizzera era terra neutrale, sia perché si trattava di un'area a bassa sismicità. Dal '54 ad oggi ospita più di diecimila ricercatori europei.

Da un punto di vista tecnico, il CERN è un insieme di acceleratori lineari e circolari, il cui anello più grande si chiama Large Hadron Collider (LHC). Questo potentissimo acceleratore misura 27 km di circonferenza e permette la collisione di particelle ad energie elevatissime. I prodotti delle collisioni fra fasci di particelle permettono lo studio della formazione del nostro universo e della materia esistente.
In sintesi, il CERN ha quattro obiettivi principali:

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• Ricerca – per scoprire il mondo delle particelle e chiarire i grandi interrogativi dell'Universo;
• Tecnologia– sviluppare nuove tecnologie;
• Collaborazione – il centro favorisce la cooperazione tra nazioni provenienti da ogni parte del mondo;
• Educazione – il CERN non solo fa ricerca, ma si occupa di formare i futuri ricercatori.

Come funziona l'acceleratore di particelle svizzero?

Al CERN si svolgono molti esperimenti sulla materia e sull' antimateria, per cercare di comprendere come si sia formato l'Universo e ciò che ci circonda.
L'esperimento più noto ed importante, su cui lavorano moltissimi fisici, è lo studio dell‘interazione tra due protoni ad altissima energia. Questa energia, trasportata dai protoni, si trasforma in nuova massa a seguito della collisione. Questa nuova massa è composta da particelle di vario tipo, alcune delle quali decadono rapidamente in altre particelle, fino a formare materia più stabile, quella che ci compone. Per cercare di capire più a fondo le origini dell'universo è stato dunque costruito un acceleratore di cosi grandi dimensioni, per poter accelerare particelle ad alta, altissima energia. 

Qual è l'utilità del CERN?

Da sempre la ricerca scientifica spinge la tecnologia e l'ingegneria a superare i propri limiti. Il CERN, in particolare, ha contribuito enormemente nello sviluppo di tecnologie utili per la costruzione di navicelle, sonde e sensori spaziali e per applicazioni mediche, quali la PET (Positron Emission Tomography).
Se invece vogliamo fare l'esempio di due applicazioni che noi tutti usiamo quotidianamente possiamo nominare il touchscreen e internet. Pensate che il World Wide Web che usiamo tutti oggi è nato proprio in questo laboratorio, come canale di comunicazione per scambiare dati scientifici.

Il CERN collabora anche per lo sviluppo e la realizzazione di vari progetti trasversali: da nuovi sistemi per ottimizzare l'irrigazione nei posti più difficili a progetti relativi al restauro e alla conservazione digitale di opere d'arte, dalla progettazione di tecnologie quantistiche a progetti di ultra-alto vuoto e a temperature criogeniche.

Cosa abbiamo scoperto grazie al CERN?

Ultimo punto, ma non meno importante: i traguardi scientifici raggiunti e accumulati negli anni hanno contribuito alla comprensione attuale di ciò che ci sta attorno, a grande e piccola scala. Una fra tutte, la scoperta del Bosone di Higgs, che dà massa alle particelle elementari, avvenuta nel 2012. Si tratta di una particella molto difficile da individuare perché instabile – cioè decade rapidamente in altre particelle – e perché sono necessarie molte collisioni di particelle prima di poterlo identificare chiaramente (si parla infatti di miliardi di scontri).

Il bosone di Higgs ha però un’importanza radicale: è letteralmente grazie a lui se tutte le altre particelle hanno una massa. Secondo le conoscenze attuali, all'origine dell'universo non esisteva la massa come la intendiamo oggi, cioè la materia fisica e tangibile: c'era solo tanta, tanta energia.

Se parte di questa energia poi si è trasformata in massa, formando i “mattoncini” che hanno costruito le stelle, i pianeti e tutto ciò che conosciamo, inclusi noi esseri umani, è stato proprio grazie al campo e al bosone di Higgs.

Serve uno sforzo di immaginazione, ma piuttosto che immaginarlo come una particella molto piccola, per capire come funziona questo bosone immaginate un campo, uno spazio. Quando le altre particelle ci passano attraverso, o più precisamente interagiscono con questo campo, ottengono una massa. Per esempio, i fotoni, le particelle che compongono la luce, non interagiscono col bosone di Higgs e infatti non hanno massa.

È come se il bosone di Higgs dovesse recapitare un messaggio alle altre particelle e questo messaggio fosse la massa: una volta consegnato, il bosone di Higgs sparisce e le particelle guadagnano una massa in base a quanto è stata forte la loro interazione con questo campo di Higgs.

C’è ancora tantissimo da capire sul comportamento del bosone di Higgs, ma provate a paragonarlo concettualmente alla scoperta degli elettroni: studiando gli elettroni, abbiamo imparato a conoscere, generare e sfruttare l’elettricità. Chissà cosa impareremo a fare continuando a studiare questa particella e tutto ciò che ci circonda.