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).

L’acceleratore di particelle del Cern a Ginevra

Il Cern continua a fare notizia. Questa volta non per via dei suoi esperimenti, che riprenderanno solo a partire dalla prossima primavera. Sotto i riflettori è finito ora il mega-apparato informatico del centro ginevrino, il Worldwide Lhc Computing Grid, inaugurato la scorsa settimana nella capitale Svizzera. Un sistema distribuito composto da oltre 140 centri di calcolo spalmati in 33 Paesi che avrà il compito di analizzare l’enorme quantità di dati del Large Hadron Collider (Lhc) quando rientrerà in funzione: circa 15 milioni di Gigabyte, tanti quanti possono essere contenuti in una torre di Cd alta 20 chilometri, vale a dire alta 60 volte la torre Eiffel. Il Cern ha in casa solo il 10% delle struture necessari per smaltire tale carico, il resto verrà affidato appunto alla “griglia” (o grid per chi mastica l’inglese); i dati provenienti dal Cern verranno in pratica smistati a 11 nodi di primo livello (fra cui anche quello del Cnaf di Bologna) e da questi redistribuiti ai centri di secondo livello. In Europa sono attivi 60.000 computer che fanno capo a 250 sedi di ricerca, negli Stati Uniti ce sono circa 30.000 e alcune migliaia sono in Asia, soprattutto a Taiwan, Giappone, Cina e Corea.

Difficilmente la rete costruita dal Cern potrà incappare in incidenti come quelli capitati all’interno del tunnel svizzero, considerato il severissimo rodaggio cui è stata sottoposta. Gruppi di biologi, genetisti, geologi e geofisici hanno messo a dura prova il sistema di grid computing del Cern nel corso dell’ultimo anno e mezzo. Con risultati molto incoraggianti, tanto da far sbilanciare i responsabili della struttura. “Le simulazioni che possono essere condotte con questi strumenti permettono di avere risultati scientifici che prima non erano possibili” ha commentato Ian Bird, capo-progetto del LHC computing grid, aggiungendo che un terzo dell’intera infrastruttura è stata creata per sperimentazioni al di fuori della fisica.

Ancora più entusiastico il commento di Wolfgang Von Ruden, direttore del dipartimento It del Cern, che ha paragonato l’impatto del nuovo gigantesco apparato informatico a quello di Internet: “Potremo usarlo da casa? Indirettamente sì. Grazie alla possibilità di avere elaborazioni rapidissime potremo andare per esempio dal nostro medico di base per avere una Tac”. In fondo neacnhe Tim Berners-Lee (il papà del World Wide Web, cresciuto guarda caso proprio fra le mura del Cern) aveva idea di come sarebbe diventata la Rete quando l’ha concepita.

LEGGI ANCHE: È il Grid la prossima rivoluzione del computer

Large Hadron Collider

In un’ora il primo fascio di protoni ha completato un “giro” di 27 chilometri nel circuito dell’Lhc a Givevra: a pieno regime le particelle arriveranno a 11mila giri al secondo. “Viviamo un momento di nuova fisica” ha detto Roberto Petronzio, direttore dell’Istituto nazionale di fisica nucleare “spesso ai fisici capita di leggere nei libri i racconti di momenti storici, ma questa volta ci siamo anche noi”. L’Lhc del Cern, l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare, è progettato per durare almeno 20-25 anni: tra cinque anni è previsto un upgrade della macchina e degli esperimenti.

Oggi l’energia impiegata è stata un decimo di quella raggiungibile nell’anello del Cern, ma nei prossimi mesi il nuovo acceleratore verrà portato fino alla sua energia “nominale”, cioè a due fasci che viaggiano con una energia di 7 Teraelettronvolt, scontrandosi a una energia di 14 Teraelettronvolt. E similando, così, consizioni simili a quelle di pochi istanti dopo il Big Bang. Uno degli interrogativi più attesi riguarda il bosone di Higgs, soprannominato la “particella di Dio”: “Per l’anno prossimo potremmo avere già avere alcune risposte” sottolinea Petronzio.

L’Lhc funziona alla temperatura di 272 gradi sotto lo zero (vicinissimo allo zero assoluto) e a guidare i fasci di protoni nell’acceleratore sono 1.600 magneti superconduttori. Quando funzionerà a regime, ogni secondo saranno prodotte 800 milioni di collisioni fra protoni, ognuna delle quali permetterà di vedere nei rivelatori migliaia di particelle, con un flusso di informazioni confrontabile a quello del traffico telefonico mondiale. Sono quattro gli esperimenti che a breve partiranno nell’acceleratore: Atlas, Cms, Alice e Lhcb, che studieranno le particelle prodotte dalle collisioni. Nei primi tre è rilevante la partecipazione italiana, compresa fra 15% (Cms e Atlas) e 25% (Alice). Atlas e Cms daranno la caccia al bosone di Higgs. Lhcb studierà le differenze tra materia e antimateria, mentre Alice permetterà di studiare lo stato della materia nei primi istanti dell’universo, una frazione di secondi dopo il Big Bang.

Large Hadron Collider

L’esperimento Atlas nell’acceleratore Large Hadron Collider, a Ginevra

Se la storia dell’universo fosse un libro, il primo capitolo racconterebbe una gigantesca esplosione avvenuta quattordici miliardi di anni fa: il Big Bang. I ricercatori del Cern inietteranno per la prima volta i protoni nel Large hadron collider (Lhc), un anello dalla circonferenza di 27 chilometri, a più di 100 metri di profondità. È una sorta di inaugurazione. L’obiettivo del progetto è di riprodurre nei prossimi mesi condizioni simili a quelle di pochi attimi successivi al Big Bang: nel circuito dell’Lhc, infatti, più di 100 miliardi di protoni saranno lanciati quasi alla velocità della luce e si scontreranno in quattro punti, sviluppando la più alta energia mai ottenuta in un esperimento. Analizzando le collisioni attraverso quattro gruppi di strumenti (Alice, Atlas, Cms, Lhcb), gli scienziati cercano le risposte sperimentali per alcuni interrogativi. Che potrebbero cambiare la comprensione di fenomeni fondamentali dell’universo, finora invisibili alle strumentazioni scientifiche.

Per la prima volta i ricercatori potrebbero essere in grado di osservare il bosone di Higgs che, secondo alcuni modelli teorici, assegna la massa alle particelle elementari. Tanto da essere definito “la particella di Dio”. “L’Lhc è circa dieci volte più potente dell’acceleratore di Chicago: secondo i calcoli potrebbe consentirci di osservarlo” dice Umberto Dosselli, vicepresidente dell’Istituto nazionale di fisica nucleare. Ma altri quesiti attendono risposte. Da anni la comunità scientifica si interroga sulla materia e sull’energia oscura, che insieme costituiscono il 96% dell’universo: “Speriamo che l’energia elevata dell’Lhc, riproducendo le condizioni un millesimo di secondo dopo il Big Bang, ci permetta di capirne l’origine” precisa Dosselli. E ancora: nell’universo le dimensioni sono soltanto quattro (lunghezza, larghezza, altezza e tempo), come suggerisce anche il senso comune? Per la teoria delle stringhe, un modello che propone di unificare le quattro interazioni fondamentali, ne esistono altre. Che l’esperimento di Ginevra consentirebbe di rilevare.

Al progetto del Cern hanno lavorato più di 80mila scienziati con un budget di 6,4 miliardi di euro: è un team internazionale che ha partecipato alla costruzione dell’enorme circuito tra la Svizzera e la Francia. Dall’Italia arrivano 600 ricercatori: un terzo dei magneti superconduttori lungo l’anello sono stati costruiti proprio nella penisola. All’interno dell’Lhc, le due strumentazioni principali, Atlas e Lhcb, rileveranno qualsiasi interazione prodotta nell’acceleratore. Alice analizzerà gli ioni di nuclei pesanti, come il piombo, che saranno utilizzati in alcuni esperimenti al posto dei protoni: “Le energie locali derivanti dalla collisione saranno talmente elevate da generare il quark-gluon plasma, uno stato della materia che si pensa esista al centro delle stelle neutroni” chiarisce Dosselli. Ma nelle ultime settimane si è diffusa una preoccupazione alimentata dal passaparola sui mezzi di comunicazione: il mini “Big Bang” potrebbe generare un buco nero capace di inghiottire la Terra? Un’immagine suggestiva, degna di un film hollywoodiano. “Ha portato molta pubblicità” dice Dosselli “ma la probabilità è nulla: in natura i raggi cosmici ogni giorno generano 10mila miliardi di Lhc”.

Il rap ironico “anti-buco nero” ballato dagli scienziati del Cern (in inglese). È stato visto da più di un milione di persone

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.