Organizzazione europea per la ricerca nucleare, confine Francia-Svizzera

L’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, chiamata anche Laboratorio Europeo di Fisica delle Particelle e comunemente nota con l’acronimo CERN o Cern (dal nome dell’European Council for Nuclear Research, ente provvisorio istituito nel 1952), è la particella più grande centro di fisica del mondo. Si trova a pochi chilometri da Ginevra, in Svizzera, a cavallo del confine franco-svizzero, nei comuni di Meyrin, Prévessin-Moëns e Saint-Genis-Pouilly.

Il CERN mira a capire meglio di cosa è fatto l’Universo e come funziona. Per fare questo, il CERN fornisce agli scienziati un complesso, unico al mondo, di acceleratori di particelle, consentendo loro di spingere i confini della conoscenza umana. Fondato nel 1954, il Laboratorio è diventato un notevole esempio di collaborazione internazionale. La nostra missione è: fornire un complesso unico di acceleratori di particelle che consenta la ricerca all’avanguardia della conoscenza umana; condurre ricerche di livello mondiale in fisica fondamentale; riunire persone da tutto il mondo per spingere i confini della scienza e della tecnologia a beneficio di tutti.

Il CERN, fondato nel 1954, ha sede in un sobborgo nord-ovest di Ginevra, al confine tra Francia e Svizzera, e conta 23 stati membri. Israele è l’unico paese non europeo a cui è stata garantita la piena adesione. Il CERN è un osservatore ufficiale delle Nazioni Unite. L’acronimo CERN viene utilizzato anche per riferirsi al laboratorio, che nel 2016 contava 2.500 dipendenti scientifici, tecnici e amministrativi, e ospitava circa 12.000 utenti.

La funzione principale del CERN è quella di fornire gli acceleratori di particelle e altre infrastrutture necessarie per la ricerca sulla fisica delle alte energie: di conseguenza, numerosi esperimenti sono stati realizzati al CERN attraverso collaborazioni internazionali. Il sito principale di Meyrin ospita una grande struttura informatica, utilizzata principalmente per archiviare e analizzare i dati degli esperimenti, nonché per simulare eventi. I ricercatori hanno bisogno dell’accesso remoto a queste strutture, quindi il laboratorio è stato storicamente un importante hub di reti geografiche. Il CERN è anche il luogo di nascita del World Wide Web.

Storia
La convenzione che istituisce il CERN è stata ratificata il 29 settembre 1954 da 12 paesi dell’Europa occidentale. L’acronimo CERN rappresentava originariamente le parole francesi per Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Consiglio europeo per la ricerca nucleare), che era un consiglio provvisorio per la costruzione del laboratorio, istituito da 12 governi europei nel 1952. L’acronimo è stato mantenuto per il nuovo laboratorio dopo il consiglio provvisorio fu sciolto, anche se il nome cambiò nell’attuale Organization Européenne pour la Recherche Nucléaire (Organizzazione europea per la ricerca nucleare) nel 1954. Secondo Lew Kowarski, ex direttore del CERN, quando il nome fu cambiato, l’abbreviazione poteva sono diventati l’imbarazzante OERN, e Werner Heisenberg ha detto che questo potrebbe “essere ancora CERN anche se il nome è”.

Il primo presidente del CERN è stato Sir Benjamin Lockspeiser. Edoardo Amaldi era il segretario generale del CERN nelle sue prime fasi, quando le operazioni erano ancora provvisorie, mentre il primo direttore generale (1954) fu Felix Bloch.

Il laboratorio era originariamente dedicato allo studio dei nuclei atomici, ma fu presto applicato alla fisica delle energie superiori, interessata principalmente allo studio delle interazioni tra particelle subatomiche. Pertanto, il laboratorio gestito dal CERN è comunemente indicato come il laboratorio europeo di fisica delle particelle (Laboratoire européen pour la physique des particules), che descrive meglio la ricerca che viene eseguita lì.

Membri fondatori
Alla sesta sessione del Consiglio del CERN, che si svolse a Parigi dal 29 giugno al 1 luglio 1953, la convenzione che istituiva l’organizzazione fu firmata, con riserva di ratifica, da 12 Stati. La convenzione è stata gradualmente ratificata dai 12 Stati membri fondatori: Belgio, Danimarca, Francia, Repubblica federale di Germania, Grecia, Italia, Paesi Bassi, Norvegia, Svezia, Svizzera, Regno Unito e Jugoslavia.

Scoperte
Nel 1983, la teoria elettrodebole è quasi completamente confermata, le forze deboli ed elettromagnetiche sono quasi unificate. È anche quest’anno, il 13 settembre, che inizia il primo lavoro di LEP. Nel 1984, Carlo Rubbia e Simon van der Meer hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica in ottobre per la loro scoperta riguardante la forza elettrodebole. A seguito dell’inaugurazione del LEP nel 1989, vengono confermate le previsioni della teoria sulla forza elettrodebole, in particolare l’esistenza di particelle cariche (bosoni W) la cui massa è circa 80 volte quella del protone nonché di una particella neutra (il bosone Z ) la cui massa è circa 91 volte quella del protone.

Tra il 1989 e il 1990, Tim Berners-Lee, affiancato da Robert Cailliau, progettò e sviluppò un sistema di informazioni ipertestuali, il World Wide Web.

Nel 1992 Georges Charpak ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica per il lavoro svolto al CERN nel 1968 (sviluppo della camera proporzionale multifilo).

Il 18 novembre 2010, i ricercatori annunciano di essere riusciti a intrappolare per la prima volta gli atomi di antiidrogeno in un campo magnetico.

Il 4 luglio 2012, viene identificata una nuova particella, le cui proprietà sembrano compatibili con quella del bosone di Higgs come descritto dalla teoria. Ulteriori risultati di questo esperimento elaborati nel corso del 2013 hanno confermato che questa nuova particella elementare è un bosone di Higgs, le cui proprietà sono finora compatibili con quelle descritte dal Modello Standard. Il Premio Nobel per la Fisica è stato assegnato nel 2013 ai fisici teorici François Englert e Peter Higgs per il loro lavoro teorico su questa particella, prevedendone l’esistenza a partire dagli anni ’60.

Risultati scientifici
Diversi importanti risultati nella fisica delle particelle sono stati ottenuti attraverso esperimenti al CERN. Loro includono:

1973: La scoperta delle correnti neutre nella camera a bolle di Gargamelle;
1983: La scoperta dei bosoni W e Z negli esperimenti UA1 e UA2;
1989: la determinazione del numero di famiglie di neutrini leggeri al Large Electron-Positron Collider (LEP) operante sul picco del bosone Z;
1995: la prima creazione di atomi di antiidrogeno nell’esperimento PS210;
1999: La scoperta della violazione diretta di CP nell’esperimento NA48;
2010: L’isolamento di 38 atomi di antiidrogeno;
2011: mantenimento dell’antiidrogeno per oltre 15 minuti;
2012: un bosone con massa intorno a 125 GeV / c2 coerente con il bosone di Higgs a lungo cercato.
Nel settembre 2011, il CERN ha attirato l’attenzione dei media quando la collaborazione OPERA ha segnalato il rilevamento di neutrini forse più veloci della luce. Ulteriori test hanno mostrato che i risultati erano errati a causa di un cavo di sincronizzazione GPS collegato in modo errato.

Il Premio Nobel 1984 per la Fisica è stato assegnato a Carlo Rubbia e Simon van der Meer per gli sviluppi che hanno portato alla scoperta dei bosoni W e Z. Il premio Nobel per la fisica 1992 è stato assegnato al ricercatore del CERN Georges Charpak “per la sua invenzione e lo sviluppo di rivelatori di particelle, in particolare la camera proporzionale multifilo”. Il Premio Nobel per la fisica 2013 è stato assegnato a François Englert e Peter Higgs per la descrizione teorica del meccanismo di Higgs nell’anno successivo alla scoperta del bosone di Higgs dagli esperimenti del CERN.

Informatica
Il World Wide Web è nato come un progetto del CERN denominato INQUIRE, avviato da Tim Berners-Lee nel 1989 e Robert Cailliau nel 1990. Berners-Lee e Cailliau sono stati onorati congiuntamente dall’Association for Computing Machinery nel 1995 per il loro contributo allo sviluppo del World Wide Web.

Basato sul concetto di ipertesto, il progetto aveva lo scopo di facilitare la condivisione delle informazioni tra i ricercatori. Il primo sito web è stato attivato nel 1991. Il 30 aprile 1993, il CERN ha annunciato che il World Wide Web sarebbe stato gratuito per chiunque. Una copia della prima pagina web originale, creata da Berners-Lee, è ancora pubblicata sul sito web del World Wide Web Consortium come documento storico.

Prima dello sviluppo del Web, il CERN era stato il pioniere dell’introduzione della tecnologia Internet, a partire dai primi anni ’80.

Più recentemente, il CERN è diventato una struttura per lo sviluppo del grid computing, ospitando progetti tra cui Enabling Grids for E-sciencE (EGEE) e LHC Computing Grid. Ospita anche il CERN Internet Exchange Point (CIXP), uno dei due principali punti di scambio Internet in Svizzera.

Acceleratori di particelle

Complesso attuale
Il CERN gestisce una rete di sei acceleratori e un deceleratore. Ciascuna macchina della catena aumenta l’energia dei fasci di particelle prima di consegnarli agli esperimenti o al successivo acceleratore più potente. Attualmente (a partire dal 2019) le macchine attive sono:

L’acceleratore lineare LINAC 3 che genera particelle a bassa energia. Fornisce ioni pesanti a 4,2 MeV / u per l’iniezione nell’anello ionico a bassa energia (LEIR).
Il Proton Synchrotron Booster aumenta l’energia delle particelle generate dall’acceleratore lineare del protone prima che vengano trasferite agli altri acceleratori.
Il Low Energy Ion Ring (LEIR) accelera gli ioni dall’acceleratore lineare ionico LINAC 3, prima di trasferirli al Proton Synchrotron (PS). Questo acceleratore è stato messo in servizio nel 2005, dopo essere stato riconfigurato dal precedente Low Energy Antiproton Ring (LEAR).
Il 28 GeV Proton Synchrotron (PS), costruito tra il 1954 e il 1959 e ancora funzionante come alimentatore per il più potente SPS.
Il Super Proton Synchrotron (SPS), un acceleratore circolare con un diametro di 2 chilometri costruito in un tunnel, entrato in funzione nel 1976. Era progettato per fornire un’energia di 300 GeV ed è stato gradualmente aggiornato a 450 GeV. Oltre ad avere le proprie linee di fascio per esperimenti a target fisso (attualmente COMPASS e NA62), è stato utilizzato come collisore protone-antiprotone (il collisore SppS) e per accelerare elettroni e positroni ad alta energia che sono stati iniettati nel Large Electron –Positron Collider (LEP). Dal 2008, è stato utilizzato per iniettare protoni e ioni pesanti nel Large Hadron Collider (LHC).
Il separatore di massa isotopico in linea (ISOLDE), utilizzato per studiare i nuclei instabili. Gli ioni radioattivi sono prodotti dall’impatto dei protoni a un’energia di 1.0–1.4 GeV dal Proton Synchrotron Booster. Fu commissionato per la prima volta nel 1967 ed è stato ricostruito con importanti aggiornamenti nel 1974 e nel 1992.
Antiproton Decelerator (AD), che riduce la velocità degli antiprotoni a circa il 10% della velocità della luce per la ricerca dell’antimateria.
L’esperimento AWAKE, che è un acceleratore di wakefield al plasma a prova di principio.
Il CERN Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR) struttura di ricerca e sviluppo di acceleratori.

Large Hadron Collider
Molte attività al CERN attualmente coinvolgono il funzionamento del Large Hadron Collider (LHC) e gli esperimenti per esso. L’LHC rappresenta un progetto di cooperazione scientifica su larga scala a livello mondiale.

Il tunnel LHC si trova a 100 metri sottoterra, nella regione tra l’aeroporto internazionale di Ginevra e le vicine montagne del Giura. La maggior parte della sua lunghezza si trova sul lato francese del confine. Utilizza il tunnel circolare di 27 km di circonferenza precedentemente occupato dal Large Electron-Positron Collider (LEP), che è stato chiuso nel novembre 2000. I complessi acceleratori PS / SPS esistenti del CERN vengono utilizzati per pre-accelerare protoni e ioni piombo che vengono poi iniettati nell’LHC.

Otto esperimenti (CMS, ATLAS, LHCb, MoEDAL, TOTEM, LHCf, FASER e ALICE) si trovano lungo il collisore; ognuno di loro studia le collisioni di particelle da un aspetto diverso e con tecnologie diverse. La costruzione di questi esperimenti ha richiesto uno straordinario sforzo ingegneristico. Ad esempio, una gru speciale è stata noleggiata dal Belgio per abbassare i pezzi del rilevatore CMS nella sua caverna, poiché ogni pezzo pesava quasi 2.000 tonnellate. Il primo dei circa 5.000 magneti necessari per la costruzione è stato calato in un albero speciale alle 13:00 GMT del 7 marzo 2005.

L’LHC ha iniziato a generare grandi quantità di dati, che il CERN trasmette ai laboratori di tutto il mondo per l’elaborazione distribuita (facendo uso di un’infrastruttura di rete specializzata, l’LHC Computing Grid). Nell’aprile 2005, una prova ha trasmesso con successo 600 MB / s a ​​sette diversi siti in tutto il mondo.

I fasci di particelle iniziali sono stati iniettati nell’LHC nell’agosto 2008. Il primo raggio è stato fatto circolare attraverso l’intero LHC il 10 settembre 2008, ma il sistema ha fallito 10 giorni dopo a causa di una connessione magnetica difettosa ed è stato fermato per riparazioni il 19 settembre 2008 .

L’LHC ha ripreso il funzionamento il 20 novembre 2009 facendo circolare con successo due fasci, ciascuno con un’energia di 3,5 teraelettronvolt (TeV). La sfida per gli ingegneri era quindi cercare di allineare le due travi in ​​modo che si scontrassero l’una con l’altra. Questo è come “sparare due aghi attraverso l’Atlantico e farli colpire l’un l’altro” secondo Steve Myers, direttore per acceleratori e tecnologia.

Il 30 marzo 2010, l’LHC ha fatto collidere con successo due fasci di protoni con 3,5 TeV di energia per protone, provocando un’energia di collisione di 7 TeV. Tuttavia, questo era solo l’inizio di ciò che era necessario per la prevista scoperta del bosone di Higgs. Quando il periodo sperimentale di 7 TeV si è concluso, l’LHC è passato a 8 TeV (4 TeV per protone) a partire da marzo 2012 e presto ha iniziato le collisioni di particelle a quell’energia. Nel luglio 2012, gli scienziati del CERN hanno annunciato la scoperta di una nuova particella subatomica che è stata successivamente confermata essere il bosone di Higgs. Nel marzo 2013, il CERN ha annunciato che le misurazioni eseguite sulla particella appena trovata gli hanno permesso di concludere che si tratta di un bosone di Higgs. All’inizio del 2013, l’LHC è stato disattivato per un periodo di manutenzione di due anni, per rafforzare i collegamenti elettrici tra i magneti all’interno dell’acceleratore e per altri aggiornamenti.

Il 5 aprile 2015, dopo due anni di manutenzione e consolidamento, l’LHC è ripartito per una seconda esecuzione. La prima rampa per raggiungere l’energia record di 6,5 TeV è stata eseguita il 10 aprile 2015. Nel 2016, il tasso di collisione di progetto è stato superato per la prima volta. Alla fine del 2018 è iniziato un secondo periodo di fermo biennale.

Acceleratori in costruzione
A partire da ottobre 2019, la costruzione è in corso per migliorare la luminosità dell’LHC in un progetto chiamato High Luminosity LHC (HL-LHC). Questo progetto dovrebbe vedere l’acceleratore LHC aggiornato entro il 2026 a una luminosità superiore di un ordine di grandezza.

Nell’ambito del progetto di aggiornamento HL-LHC, anche altri acceleratori del CERN e i loro sottosistemi stanno ricevendo aggiornamenti. Tra gli altri lavori, l’iniettore dell’acceleratore lineare LINAC 2 è stato disattivato, per essere sostituito da un nuovo acceleratore iniettore, il LINAC 4 nel 2020.

Acceleratori fuori servizio
L’acceleratore lineare originale LINAC 1. Operato 1959-1992.
L’iniettore acceleratore lineare LINAC 2. Protoni accelerati a 50 MeV per iniezione nel Proton Synchrotron Booster (PSB). Operato 1978–2018.
Il 600 MeV Synchro-Cyclotron (SC) che ha iniziato a funzionare nel 1957 ed è stato chiuso nel 1991. È stato trasformato in una mostra pubblica nel 2012-2013.
L’Intersecting Storage Rings (ISR), uno dei primi collisori costruiti dal 1966 al 1971 e operato fino al 1984.
Il Large Electron-Positron Collider (LEP), che ha funzionato dal 1989 al 2000 ed era la macchina più grande del suo genere, alloggiato in un tunnel circolare lungo 27 km che ora ospita il Large Hadron Collider.
Il complesso acceleratore LEP Pre-Injector (LPI), costituito da due acceleratori, un acceleratore lineare chiamato LEP Injector Linac (LIL; esso stesso costituito da due acceleratori lineari back-to-back chiamati LIL V e LIL W) e un acceleratore circolare chiamato Electron Accumulatore di positroni (EPA). Lo scopo di questi acceleratori era quello di iniettare fasci di positroni ed elettroni nel complesso dell’acceleratore del CERN (più precisamente, al Proton Synchrotron), da consegnare al LEP dopo molte fasi di accelerazione. Operativo 1987-2001; dopo la chiusura di LEP e il completamento degli esperimenti alimentati direttamente dall’LPI, la struttura LPI è stata adattata per essere utilizzata per il CLIC Test Facility 3 (CTF3).
Il Low Energy Antiproton Ring (LEAR), commissionato nel 1982, che assemblò i primi pezzi di vera antimateria, nel 1995, costituiti da nove atomi di antiidrogeno. È stato chiuso nel 1996 e sostituito dall’Antiproton Decelerator. L’apparato LEAR stesso è stato riconfigurato nell’amplificatore ionico LEIR (Low Energy Ion Ring).
Il Compact Linear Collider Test Facility 3 (CTF3), che ha studiato la fattibilità per il futuro progetto di collisore lineare a conduzione normale (il collisore CLIC). In funzione dal 2001 al 2016. Una delle sue linee di luce è stata convertita, dal 2017 in poi, nella nuova struttura del CERN Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR).

Possibili futuri acceleratori
Il CERN, in collaborazione con gruppi in tutto il mondo, sta studiando due concetti principali per futuri acceleratori: un collisore lineare elettrone-positrone con un nuovo concetto di accelerazione per aumentare l’energia (CLIC) e una versione più grande dell’LHC, un progetto attualmente denominato Future Circular Collider .

Installazioni
Il CERN non aziona un singolo acceleratore di particelle per studiare la struttura della materia, ma un’intera catena di altre macchine (a volte chiamate iniettori). Le particelle che le attraversano successivamente vengono progressivamente accelerate, conferendo alle particelle sempre più energia. Questo complesso attualmente include diversi acceleratori lineari e circolari.

Gli edifici che compongono il complesso scientifico sono numerati senza alcuna logica apparente. Ad esempio, l’edificio 73 è incastrato tra gli edifici 238 e 119. La pluralità di lingue e nazionalità (più di 80) all’interno del CERN ha in parte ispirato Cédric Klapisch nella creazione del film L’Auberge Espagnol.

Catena di acceleratori di particelle attorno all’LHC
L’installazione più potente al CERN è il Large Hadron Collider (LHC), che è stato commissionato il 10 settembre 2008 (inizialmente pianificato nel novembre 2007). L’LHC si trova proprio alla fine della catena dell’acceleratore. In caso di accelerazione dei protoni, prendono il seguente percorso:

Tutto inizia con una sorgente di protoni chiamata “duoplasmatron”. Questa macchina, delle dimensioni di un barattolo di latta, utilizza l’idrogeno per produrre protoni con un’energia iniziale di 100 k eV (il nucleo dell’idrogeno ordinario è costituito da un unico protone). Questo gas, proveniente da una bottiglia, viene iniettato a velocità controllata nella camera della sorgente, dove viene ionizzato per estrarre il singolo elettrone da ciascun atomo. I protoni risultanti vengono quindi espulsi da un campo elettrico al passaggio successivo.

Acceleratore lineare di protoni Linac-2, commissionato nel 1978. Costituendo (insieme alla sorgente di protoni) il primo anello della catena, è l’installazione più utilizzata al CERN; il suo tasso di disponibilità è compreso tra il 98 e il 99% e la sua chiusura è prevista intorno al 2017, quando sarà poi sostituita da Linac-4. Il Linac-2 accelera i protoni a un terzo della velocità della luce, il che si traduce in un’energia di 50 MeV per particella.

All’uscita di Linac-2, i protoni vengono iniettati nel PS-Booster. È un piccolo sincrotrone con una circonferenza di 157 me che porta l’energia a 1,4 GeV per protone, che corrisponde al 91,6% della velocità della luce. I protoni vengono quindi iniettati nel PS.

Il PS o Proton Synchrotron, con una circonferenza di 628 metri, e dotato di 277 elettromagneti di cui 100 dipoli che servono per piegare il fascio di particelle. È una delle apparecchiature più antiche del CERN, poiché è stata commissionata nel novembre 1959, ma da allora ha subito più modifiche. Questa macchina è attualmente utilizzata per accelerare i protoni ma anche gli ioni. Durante la sua carriera, ha anche agito come acceleratore di antiprotoni, elettroni e positroni (antielettroni). Aumenta l’energia dei protoni fino a 25 GeV, accelerandoli al 99,9% della velocità della luce. Da questo passo l’aumento della velocità non è più significativo perché ci avviciniamo a quello della luce che costituisce, secondo la teoria della relatività, un limite insormontabile. L’aumento dell’energia delle particelle è ora principalmente il risultato di un aumento della loro massa.

Il Super Proton Synchrotron (SPS), con una circonferenza di 7 km, dotato di 1.317 elettromagneti di cui 744 dipoli. Spinge i protoni a 450 GeV. Fu commissionato nel 1976 come acceleratore semplice, convertito Collider protone-antiprotone nel 1983, prima di diventare una nuova catena di iniettori dal 1989 al LEP, poi per la sua sostituzione, l’LHC. Come il PS, il SPS ha accelerato varie particelle durante la sua carriera (protoni, antiprotoni, ioni più o meno massicci, elettroni, positroni). Dall’inizio dell’LHC, l’SPS funziona solo con ioni protonsori.

E infine l’LHC o Large Hadron Collider (Large Hadron Collider, in francese), con una circonferenza di 26.659 km, che utilizza superconduttori, e dove i protoni possono raggiungere i 7 TeV (ovvero un livello di energia per particella 70 milioni di volte più grande di quello prodotto dal fonte duoplasmatron).

Nell’ambito dell’esperimento ALICE, l’LHC accelera anche gli ioni piombo, e per questi ultimi il decorso è leggermente diverso: prodotto da una “sorgente ECR” da piombo vaporizzato e poi ionizzato, gli ioni piombo subiscono la loro prima accelerazione nel Linac-3 lineare acceleratore, quindi passano attraverso il LEIR (Low Energy Ion Ring). È solo allora che gli ioni seguono lo stesso percorso dei protoni, attraverso PS, SPS e LHC (la sorgente ECR, Linac-3 e LEIR quindi sostituiscono rispettivamente il duoplasmatron, Linac-2 e “Booster”). Man mano che accelerano, questi ioni vengono privati ​​dei loro elettroni in più fasi, fino a quando tutto ciò che rimane sono nuclei atomici “nudi” che possono raggiungere un’energia di 574 TeV ciascuno (cioè 2, 76 TeV per nucleone).

Ogni installazione del CERN ha una o più sale sperimentali, disponibili per esperimenti. È così che i protoni accelerati del Booster, del PS e dell’SPS possono essere diretti al successivo acceleratore della catena o ad aree sperimentali, il più delle volte con un target fisso (collisione tra i fasci e un target per produrre nuove particelle).

Altre strutture ed esperimenti al CERN
Sebbene l’LHC sia attualmente la struttura più grande e più pubblicizzata, al CERN sono presenti altre attrezzature e lavori di ricerca.

AD, il deceleratore antiprotone
Il deceleratore antiprotonico (en) è un dispositivo destinato a produrre antiprotoni a bassa energia. Infatti, durante la loro creazione (per impatto di protoni, provenienti dal PS, su un bersaglio metallico) gli antiprotoni hanno solitamente una velocità troppo elevata per poter essere sfruttati durante certi esperimenti, e inoltre le loro traiettorie e le loro energie sono disparate. Il deceleratore antiprotone è stato costruito per recuperare, controllare e infine rallentare queste particelle a circa il 10% della velocità della luce. Per questo, utilizza elettromagneti e potenti campi elettrici. Una volta “addomesticati”, questi antiprotoni possono essere utilizzati in altri esperimenti:

ACE (Antiproton Cell Experiment): esperimento che studia l’efficacia degli antiprotoni nella lotta contro il cancro, iniettando un fascio di queste particelle in cellule viventi in vitro. L’energia rilasciata, dall’annientamento tra gli antiprotoni iniettati ed i protoni dei nuclei atomici, distruggerà poi le cellule. L’obiettivo è essere in grado di distruggere i tumori cancerosi proiettando in essi antiprotoni, un metodo che sarebbe più vantaggioso rispetto ad altre terapie con fasci di particelle perché è meno dannoso per i tessuti sani. I primi risultati sono promettenti, ma non sono previste applicazioni mediche per circa dieci anni.

ALPHA e ATRAP: lo scopo di questi esperimenti è studiare le differenze di proprietà tra materia e antimateria. Per fare ciò vengono creati atomi di antiidrogeno (composti da un antiprotone e un positrone) e le loro caratteristiche vengono poi confrontate con quelle dei normali atomi di idrogeno.

ASACUSA: Questo esperimento ha lo stesso obiettivo dei due precedenti, ma con un metodo diverso. Invece di usare atomi di antiidrogeno, i fisici di ASACUSA produrranno configurazioni molto più esotiche, come l’elio antiprotonico, vale a dire atomi di elio di cui uno degli elettroni è stato sostituito. da un antiprotone! (promemoria: l’antiprotone ha una carica elettrica negativa, come l’elettrone). Il vantaggio di queste configurazioni è che sono più facili da produrre e hanno una durata maggiore rispetto agli antiidrogeno.

AEgIS: un esperimento il cui obiettivo principale è verificare se gli effetti della gravità sull’antimateria sono identici (o meno) a quelli esercitati sulla materia. Vengono prese in considerazione diverse ipotesi, inclusa la possibilità che per l’antimateria l’effetto della gravità sia invertito.

CAST
C ERN A ction S olar T telescopio (Telescopio per assioni solari CERN). Uno strumento per rilevare ipotetiche assioni dal sole.

Gli assioni sono particelle che si sospetta facciano parte della materia oscura e che spiegherebbero anche l’origine delle piccole differenze osservate tra materia e antimateria, da cui l’interesse per la ricerca della loro esistenza. Il principio di funzionamento di CAST è quello di posizionare un potente campo magnetico nel percorso di queste particelle, all’interno di tubi a vuoto correttamente orientati, che dovrebbe avere l’effetto di trasformarli in raggi X quando lo attraversano. È questa radiazione di raggi X, più facilmente rilevabile degli assioni stessi, che deve essere registrata. Se gli assioni esistono, è probabile che siano presenti al centro della nostra stella, è per questo motivo che CAST è un telescopio che viene puntato in direzione del Sole grazie ad una piattaforma mobile.

Si noti che questo esperimento riutilizza un certo numero di componenti già esistenti: un prototipo di un magnete dipolo superconduttore che è stato utilizzato per la progettazione dell’LHC, un dispositivo di raffreddamento criogenico che è stato utilizzato per l’esperimento DELPHI del grande collisore elettrone-positrone (LEP ) e un sistema di focalizzazione a raggi X da un programma spaziale. Combinando tecniche dell’astronomia e della fisica delle particelle, CAST è anche l’unico esperimento a non utilizzare un raggio prodotto da acceleratori, ma beneficia comunque delle competenze acquisite dal CERN.

NUBE
C osmics L eaving OR tdoor D funi (raggi cosmici che producono goccioline esterne)

CLOUD (in) è previsto per qu’exerceraient indagare una possibile influenza dei raggi cosmici sulla formazione delle nuvole. Infatti, queste particelle cariche provenienti dallo spazio sarebbero in grado di produrre nuovi aerosol che influenzano lo spessore della copertura nuvolosa. Le misurazioni satellitari ci permettono di sospettare una correlazione tra lo spessore delle nuvole e l’intensità dei raggi cosmici. Tuttavia, variazioni di qualche percentuale nella copertura nuvolosa possono avere un’influenza decisiva sul clima e sull’equilibrio termico del nostro pianeta.

CLOUD, ancora in fase preparatoria con un prototipo di rivelatore, sarà composto da una camera a nebbia e da una “camera di reazione” in cui le condizioni di pressione e temperatura di qualsiasi regione dell’atmosfera potranno essere ricostituite, e che sarà sottoposta ad un flusso di particelle prodotta dal PS simulando i raggi cosmici. Più dispositivi monitoreranno e analizzeranno il contenuto di queste camere. Questa è la prima volta che un acceleratore di particelle viene utilizzato per lo studio dell’atmosfera e del clima. Questa esperienza potrebbe “alterare in modo significativo la nostra comprensione delle nuvole e del clima”.

BUSSOLA
CO mmon M uon and P roton A pparatus for S tructure and S pectroscopy

Questo versatile esperimento consiste nell’esplorare la struttura degli adroni (di cui il protone e il neutrone, costituenti della materia di cui siamo fatti), e quindi i legami tra gluoni e quark che li compongono. Per questo utilizza protoni accelerati dall’SPS. I vari obiettivi sono tra gli altri:

studiare l’origine dello spin del nucleone, in particolare il ruolo svolto dai gluoni. Per fare questo si creano muoni (particelle instabili, paragonabili all’elettrone ma più massicce) che vengono proiettati su un “bersaglio polarizzato”;

rilevamento di palline di colla, ipotetiche particelle costituite solo da gluoni;

determinazione della gerarchia dei diversi tipi di adroni, mediante creazione e quindi utilizzo di un fascio di pioni.

CTF3
C LIC T è F acility 3. Un sito di prova dove il CERN si sta già preparando dopo l’LHC, come parte del progetto Compact Linear Collider (CLIC).

L’obiettivo è sviluppare un acceleratore di nuova generazione, il CLIC, che consentirà di approfondire le scoperte fatte da LHC, ma per un costo e dimensioni di installazione che rimarrebbero relativamente ragionevoli. L’obiettivo è ottenere un’energia paragonabile a quella ottenuta all’LHC, ma questa volta con collisioni elettroni / positroni (invece di protoni / protoni), che apriranno nuove prospettive.

Il principio di funzionamento della futura CLIC si basa su un sistema a due raggi, che dovrebbe consentire di produrre campi di accelerazione maggiori rispetto ai precedenti acceleratori, cioè dell’ordine di 100-150 MV / m. Il fascio principale sarà accelerato dalla potenza della radiofrequenza, che sarà prodotta da un fascio parallelo di elettroni a minore energia ma ad alta intensità. È la decelerazione di questo “fascio di guida” che fornirà l’energia utilizzata per l’accelerazione del fascio principale. Potremmo paragonare questo principio a quello di un trasformatore elettrico che produrrebbe una corrente elettrica ad alto voltaggio da una corrente a voltaggio inferiore, ma a costo di un calo di intensità.

DIRAC
DI meson R elativistic A tomic C omplex (Relativistic atomic complex of di-mesons). Questo esperimento mira a comprendere meglio la forte interazione che lega insieme gli squark, costituendo così degli shadrons. Più precisamente, si tratta di testare il comportamento di questa forza su “grandi” distanze ea bassa energia.

Per questo DIRAC studia il decadimento di atomi pionici (o pionium, cioè insiemi instabili di pioni positivi e negativi), o di “” atomi (ciascuno costituito da un pione e da un kaone di cariche opposte, anch’essi instabili) . La durata di questi assemblaggi esotici, prodotti grazie al fascio di protoni del PS, è “misurata a un livello di precisione mai raggiunto prima”.

ISOLDA
I sotopo S eparator On L ine OF tector (il separatore di isotopi in linea (in))

Denominata “fabbrica alchemica”, ISOLDE è una struttura che consente la produzione e lo studio di un gran numero di isotopi instabili, alcuni dei quali hanno un’emivita di pochi millisecondi. Questi isotopi sono prodotti dall’impatto di protoni, provenienti dall’iniettore di PS, su bersagli di varia composizione (dall’elio al radio). Sono separati dalla massa, quindi accelerati in modo da poter essere studiati. Molti di questi esperimenti utilizzano un rilevatore di raggi gamma chiamato “Miniball”.

ISOLDE cerca quindi di esplorare essenzialmente la struttura del nucleo atomico, ma ha anche altri obiettivi in ​​biologia, astrofisica e altri campi della fisica (atomica, stato solido, fisica fondamentale).

Un team ISOLDE ha osservato un effetto termico anormale (AHE) durante un esperimento di elettrolisi con un elettrodo di palladio, noto dal 1989, e lo ha esposto durante un seminario.

n_TOF
“The Neutron Factory”. Usando protoni del PS, questa apparecchiatura è destinata a produrre neutroni con flussi ad alta intensità e un’ampia gamma di energie. La cosiddetta installazione del “tempo di volo dei neutroni” consente uno studio preciso dei processi in cui sono coinvolte queste particelle. I risultati ottenuti interessano diversi progetti di ricerca in cui i flussi di neutroni giocano un ruolo: astrofisica nucleare (in particolare per quanto riguarda l’evoluzione stellare e le supernove); distruzione di scorie radioattive; o il trattamento dei tumori mediante fasci di particelle.

Acceleratori smantellati
Dalla sua inaugurazione, il CERN ha utilizzato diversi acceleratori, alcuni dei quali sono stati smantellati per accogliere altri più efficienti o più adatti alla ricerca attuale. Questi acceleratori sono:

Linac1, il primo acceleratore lineare del CERN, commissionato nel 1959 e sostituito da Linac3 nel 1993;

un sincrociclotrone (SC) da 600 MeV, in servizio dal 1957 al 1991. Aveva un elettromagnete costituito da due bobine di 7,2 metri di diametro e del peso di 60 tonnellate ciascuna;

CESAR, un “anello di accumulo e accumulo di elettroni”, completato nel 1963 e smantellato nel 1968. La messa in servizio del CESAR è stata difficile, ma ha consentito di acquisire un know-how utile per lo sviluppo dei futuri collisori del CERN;

gli Intersecting Storage Rings (ISR), costruiti dal 1966 al 1971 e in servizio fino al 1984. Furono il primo collisore di protoni, che fu anche il primo acceleratore di particelle ad utilizzare magneti superconduttori (dal novembre 1980), poi il primo a produrre collisioni tra protoni e antiprotoni (nell’aprile 1981);

il Large Electron Positron (LEP), in servizio dal 1989 al 2000 per essere sostituito dall’LHC. Il LEP era ai suoi tempi il più grande acceleratore del CERN, in collisione di elettroni e positroni;

il Low Energy Antiproton Ring (LEAR), commissionato nel 1982, che ha permesso l’assemblaggio dei primi atomi di antimateria nel 1995. È stato chiuso nel 1996 per essere trasformato in un LEIR (Low Energy Ion Ring) destinato a fornire all’LHC ioni pesanti.

Esperimenti smantellati

CNGS
C ern N eutrinos to G ran S asso (Neutrinos from CERN to Gran Sasso).

Questa installazione consiste nella produzione di un fascio di neutrini che viene diretto ad un laboratorio situato in Italia a 732 chilometri di distanza. Per fare ciò, i protoni accelerati dall’SPS vengono inviati a un bersaglio di grafite. Le collisioni risultanti producono particelle instabili chiamate pioni e kaoni, che vengono focalizzate, da un dispositivo magnetico, in un tunnel di vuoto lungo un chilometro dove decadranno. Questi decadimenti a loro volta hanno generato muoni e, soprattutto, neutrini. Uno scudo e poi la roccia oltre la fine del tunnel assorbono tutte le particelle (muoni, pioni e kaoni non decaduti o protoni che sono passati attraverso il bersaglio) diverse dai neutrini, che sono quindi le uniche a continuare il loro percorso. L’assemblaggio è orientato in modo tale che il fascio di neutrini risultante sia diretto ad un laboratorio italiano situato nel Gran Sasso,

Lo scopo di tutto ciò è studiare il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini .: esistono infatti tre tipi (chiamati sapori) di neutrini, ed è ormai accettato che queste particelle “oscillino” tra questi tre sapori, trasformandosi da uno a altro. Il CNGS permette lo studio di queste oscillazioni perché i neutrini prodotti sono esclusivamente di sapore muonico, mentre a livello del Gran Sasso, e dopo un viaggio di 732 km all’interno della Terra, alcuni si saranno trasformati in altri. sapori, che possono essere registrati. I primi fasci di neutrini sono stati emessi nell’estate del 2006. Data la bassa interattività dei neutrini e la scarsità delle loro oscillazioni, saranno necessari anni di sperimentazione e raccolta dati. Nel maggio 2010 è stato osservato il primo evento corrispondente all’oscillazione di uno dei neutrini prodotti dal CNGS. Questa struttura è stata chiusa nel dicembre 2012 dopo sei anni di servizio. I tunnel del CERN utilizzati per il CNGS saranno ora utilizzati per ospitare l’esperimento AWAKE (Advanced WAKefield Experiment) fornito con protoni dall’SPS, dovrebbe entrare in funzione alla fine del 2016.

Tutela ambientale al CERN
Il monitoraggio ambientale al CERN è svolto da un lato dall’unità HSE (Salute e sicurezza e protezione ambientale) e dall’altro da due organismi esterni: l’Ufficio federale della sanità pubblica (Svizzera) e l’Istituto per la protezione dalle radiazioni e sicurezza nucleare (Francia). L’UFSP ha lanciato un programma di monitoraggio del punto zero del CERN che mira a ottenere un punto di riferimento della situazione radiologica intorno al CERN prima della messa in servizio del Large Hadron Collider.