L’acceleratore di particelle del Cern a Ginevra

Il Large Hadron Collider (LHC), l’acceleratore di particelle del CERN di Ginevra, attivato per la prima volta lo scorso settembre e spento poco giorni dopo per un guasto che lo rende attualmente inutilizzabile, è stato costruito, nel corso degli ultimi 10 anni, con l’obiettivo dichiarato di dimostrare l’esistenza del Bosone di Higgs.

Quella che è stata (fantasiosamente) definita la “particella di dio”, perché spiegherebbe come mai le particelle (e quindi tutto ciò che esiste nell’Universo) abbiano una massa, è l’ultima particella mancante nel modello Standard della fisica subnucleare. Nel 1995, infatti, due gruppi separati di scienziati del Fermilab, l’acceleratore americano situato nello stato di New York, hanno “trovato” l’altra particella mancante, il Top Quark.

Secondo gli scienziati, la scoperta del Bosone, la cui esistenza è stata ipotizzata dal fisico Peter Higgs negli anni ’60 e pare essere supportata da numerose teorie matematiche, sarebbe fondamentale per capire la struttura dell’Universo e spiegare come mai esistono la materia e l’energia oscura (che compongono la maggior parte dell’Universo). Per questo sono stati investiti miliardi di euro nella costruzione dell’LHC che, in teoria, dovrebbe essere talmente potente da accelerare (e far collidere) particelle più “pesanti” (gli adroni) che danno maggiori possibilità di scoprire il Bosone.

Pare però che gli scienziati del Fermilab, ottimizzando il vecchio acceleratore a loro disposizione, possano essere in grado di dimostrare l’esistenza del Bosone entro la fine del prossimo anno. Sarebbe una beffa per gli scienziati del CERN, che al momento stanno lavorando a pieno ritmo per riattivare l’LHC ma che probabilmente non riusciranno a effettuare i primi test fino alla fine del 2009.

Tutto dipende dalle effettive dimensioni del  Bosone. Secondo le teorie matematiche la particella mancante avrebbe una massa inclusa tra 184 e 114 GeV (GeV = Gigaelectron Volt: un protone ha una massa di 0,938 GeV). Gli ultimi test realizzati escludono una massa superiore ai 170 GeV ma, più vicina la massa del bosone è a 170 GeV, maggiori sono le possibilità di successo per Fermilab: un Bosone di 150 GeV potrebbe essere scoperto entro  la fine della prossima estate, mentre se la massa fosse intorno ai 120 GeV si andrebbe fino alla fine del 2010, con la possibilità per il CERN di rientrare in corsa.

Chiaramente non è una vera gara: molti degli scienziati che lavorano ai due esperimenti sull’acceleratore Tevatron di Fermilab (CDF e DZero) lavorano anche al CERN (e viceversa) e gli USA stessi hanno contribuito con oltre mezzo miliardo di dollari alla costruzione del centro europeo. Se il Bosone venisse individuato da Fermilab, inoltre, la scoperta dovrebbe comunque essere confermata da un altro esperimento indipendente.

Il CERN, che, attraverso gli esperimenti ATALS, CMS, ALICE e LHCb, rappresenta un gigantesco salto in avanti in questo campo dal punto di vista tecnologico, sarà il centro globale della ricerca sulla fisica subnucleare nei decenni a venire e potrebbe poi utilizzare la scoperta del Bosone per portare avanti nuovi esperimenti e studi nel campo della materia e dell’energia oscura.

Altre discussioni impazzano su quanto sia realmente necessario individuare questa particella elusiva, la cui esistenza è stata teorizzata ma mai dimostrata nonostante decenni di costosissime ricerche. Grazie al Bosone, si potrebbero spiegare le teorie relative al Big Bang e all’energia oscura, mentre se la sua esistenza dovesse essere esclusa, tutta la fisica subnucleare moderna andrebbe rivista. Le applicazioni pratiche di questa scoperta sono difficili da immaginare ma, oltre a rappresentare uno dei più ambiziosi progetti di collaborazione internazionale, il CERN ha comunque già offerto molti contributi al mondo moderno in termini di tecnologie, dallo sviluppo dei supporti ottici (CD) a quello di Internet e del GRID (distributed computing).

Rappresentazione del Large Hadron Collider del Cern di Ginevra

Immaginate una rete mondiale di computer in grado di funzionare come un unico supercomputer. Il termine Grid, che significa “grata”, è utilizzato in inglese per descrivere la rete elettrica: così come oggi si può collegare un apparecchio elettrico a una presa di corrente nel muro per farlo funzionare, in futuro potremo collegarci al Grid, da ogni luogo, per avere una potenza di calcolo pressoché illimitata. In pratica, collegando un computer qualsiasi al Grid attraverso una presa si avrà accesso a un supercomputer potenziato da centinaia di milioni di processori in tutto il mondo, la cui potenza viene amplificata ulteriormente ed esponenzialmente dalla capacità di lavorare insieme in parallelo.

Questo Grid globale è l’obiettivo finale, e probabilmente ci vorranno molti anni per raggiungerlo, ma varie forme di Grid, di dimensioni più ridotte, sono già in uso a livello industriale presso colossi dell’informatica come IBM, Sun o Hewlett Packard.
A livello scientifico, invece, la struttura che sta compiendo i maggiori progressi nella realizzazione del Grid è il CERN, il centro europeo per la ricerca nucleare di Ginevra.

Il CERN non è nuovo a questo tipo di avanzamenti tecnologici. In passato la necessità di analizzare, condividere e immagazzinare i dati raccolti dallo studio delle particelle subnucleari ha portato all’invenzione di tecnologie che oggi sono d’uso comune, come i supporti ottici (CD, DVD) e persino Internet, che, prima di rivoluzionare le vite di tutti noi, era stata per lungo tempo un modo rapido e conveniente per spedire dati tra scienziati.

Ora, per analizzare l’enorme mole di dati proveniente dai vari esperimenti che, a partire dalle prossime settimane, verranno effettuati sul Large Hadron Collider, l’acceleratore di particelle del CERN che è il più grande strumento scientifico al mondo (si tratta di un gigantesco anello con un circonferenza di 27 km situato in un tunnel 100 metri sotto il suolo svizzero-francese), gli scienziati avranno bisogno dell’enorme capacità di analisi e data storage che solo il Grid Computing potrà offrire. Basti pensare che per contenere i dati provenienti da un singolo anno di sperimentazioni sull’LHC (15 Petabyte) ci vorrebbe una pila di CD alta 20 chilometri. Il computer più veloce al mondo, Road Runner, potrebbe anche riuscire ad analizzare questi dati in un tempo relativamente breve ma si tratta di un solo computer, che per ora è appannaggio esclusivo delle forze armate americane. Il Grid globale renderà questa potenza di calcolo accessibile a tutti, sempre, unendo le Grid già esistenti come Internet ha fatto con i network di computer.

Attualmente non è ancora possibile condividere potenza di calcolo a livello mondiale; gli esempi più comuni di Grid globali già in uso sono quelli che permettono di condividere l’analisi di un’enorme mole di dati tra molteplici computer collegati tra loro via Internet. Progetti come SETI@home, LHC@home e Folding@home utilizzano computer in stand-by collegati via Internet per analizzare rispettivamente lo spazio, le particelle subnucleari e le proteine. Folding@home ha anche ricevuto una certa attenzione mediatica perché, oltre ai computer, è in grado di utilizzare la console PlayStation 3, che, grazie alla potenza del suo processore CELL, ha notevolmente incrementato il numero complessivo di analisi effettuate.

Folding@home

Il processore CELL, frutto di un progetto congiunto tra Sony, IBM e Toshiba, è stato ideato proprio per funzionare al meglio in un struttura di calcolo in parallelo, come una cellula (da cui il nome) che, lavorando insieme a milioni di altre, fa funzionare un apparato. Folding@home è solo il primo piccolo passo: l’obiettivo di Sony è creare un network mondiale enorme in cui la console servirà solo come biglietto di ingresso: in altre parole, il Grid.