Utilizzando l’equazione di Einstein, E = mc^2, il Large Hadron Collider (LHC), trasforma la materia in energia e, a ritroso, l’energia in forme diverse di materia. Ma, in rare occasioni, è possibile che il primo passaggio venga saltato e l’acceleratore fa collidere direttamente energia pura – nella forma di onde elettromagnetiche.
Lo scorso anno, nell’ambito dell’esperimento ATLAS, all’interno dell’LHC è stata osservata la collisione tra due fotoni, che hanno prodotto due nuovi fotoni. Quest’anno, quella ricerca è stata portata ancora più avanti e sono stati rilevati dei fotoni che si sono uniti, trasformandosi in qualcosa di ancora più interessante: bosoni W, particelle che trasferiscono la forza debole, che sta alla base del decadimento nucleare.
Questa ricerca non solo serve a delineare il concetto centrale che governa i processi all’interno dell’LHC: ovvero, che l’energia e la materia rappresentano due facce della stessa moneta. Essa è anche una conferma, che a energie abbastanza elevate, le forze che nella vita quotidiana appaiono separate – la forza debole e quella elettromagnetica – di fatto sono unite.
Se si cerca di riprodurre questo esperimento, di fotoni in collisione, facendo incrociare i fasci di due puntatori laser, non si riuscirà certamente a creare nuove particelle dotate di massa. Invece, si osserverà che i due fasci si combineranno per originare un fascio di luce più luminoso.
Se andiamo a rivedere le equazioni di Maxwell dell’elettromagnetismo classico, si avrà che due onde incidenti si sommano per formare un’onda più grande. I fenomeni osservati nell’esperimento ATLAS sono stati rilevati quando si è pensato di mettere insieme le equazioni di Maxwell con la relatività speciale e la meccanica quantistica, in quella che oggi è conosciuta come elettrodinamica quantistica.
All’interno del complesso di acceleratori del CERN, i protoni vengono accelerati fino a raggiungere velocità prossime a quelle della luce. Le loro forme, normalmente arrotondate, vengono schiacciate lungo la direzione del moto perché, per i processi che hanno luogo nell’LHC, la relatività speciale sostituisce le leggi del moto classiche. Ognuno dei due protoni vede l’altro come un oggetto compresso, accompagnato da un campo magnetico altrettanto compresso (i protoni hanno una carica, e tutte le particelle cariche hanno un campo magnetico). L’energia dell’LHC, in combinazione con la contrazione della lunghezza, aumenta la forza dei campi elettromagnetici protonici di un fattore pari a 7.500.
Quando due protoni si sfiorano, i loro campi elettromagnetici schiacciati si intersecano. Questi campi non si amplificano, così come previsto nella fisica delle basse energie, e seguono invece le regole dettate dall’elettrodinamica quantistica. Secondo queste nuove leggi, i due campi si uniscono e danno vita al termine E della legge E = mc^2.
Leggendo l’equazione E = mc^2 da destra a sinistra, si può vedere come una piccola quantità di massa possa produrre una grande quantità di energia, per effetto della costante c^2, che rappresenta la velocità della luce al quadrato. Ma se la stessa formula viene letta nel senso inverso, si vede che è necessario disporre di una grande quantità di energia per produrre una piccola quantità di massa.
L’LHC è uno dei pochi posti al mondo dove si possono produrre e far collidere fotoni dotati di energia, ed è l’unico posto dove gli scienziati hanno potuto vedere la fusione di due fotoni dotati di energia e la loro trasformazione in bosoni W dotati di massa.
La creazione dei bosoni W da fotoni ad alta energia esemplifica la scoperta che ha permesso a Sheldon Glasgow, Abdus Salam e Steven Weinberg di vincere il premio Nobel nel 1979: ad alte energie, l’elettromagnetismo e la forza debole sono la stessa forza.
Spesso l’elettricità e il magnetismo si considerano come forze separate. Solitamente non ci si preoccupa di tenere in mano un magnete da frigorifero. E le lampadine, anche se sono accese con l’elettricità, non si attaccano alla porta del frigorifero. Allora, perché nelle stazioni elettriche si trovano cartelli che mettono in guardia sui loro elevati campi magnetici?
Un magnete è una rappresentazione dell’elettromagnetismo, mentre l’elettricità è un’altra sua rappresentazione. Ma si tratta sempre di onde elettromagnetiche, e possiamo renderci conto di questa unificazione nelle tecnologie con cui abbiamo a che fare quotidianamente, come per esempio i telefoni cellulari che comunicano attraverso le onde elettromagnetiche.
A energie estremamente elevate, l’elettromagnetismo si combina con un’altra forza fondamentale: la forza debole. Questa forza debole governa le reazioni nucleari, tra cui la fusione dell’idrogeno in elio, che alimenta il Sole e il decadimento degli atomi radioattivi.
Così come i fotoni trasportano la forza elettromagnetica, i bosoni W e Z trasportano la forza debole. Il motivo che porta i fotoni a collidere e produrre bosoni W nell’LHC è che, a energie elevate, quelle forze si combinano per dare origine alla forza elettrodebole.
Sia i fotoni che i bosoni W sono portatori di forze, ed entrambi trasportano la forza elettrodebole. Questo fenomeno si verifica perché, di fatto, la natura si comporta secondo le regole della meccanica quantistica.
Fonte: scitechdaily.com
