Autori: Fabbri Fabrizio e Giacomelli Giorgio
Le due caratteristiche più importanti di un collisionatore sono l'energia massima che questo è in grado di imprimere alle particelle da accelerare e la cosiddetta luminosità, un parametro che è strettamente correlato al numero di collisioni al secondo che è in grado di produrre. Vediamo brevemente
perché queste caratteristiche sono così importanti.
In una collisione fra due particelle subnucleari possono presentarsi due casi distinti:
a) l'urto elastico (o diffusione elastica), dove le particelle prima e dopo l'urto sono le stesse.
Un esempio legato alla fisica classica è quello di due palle da biliardo che si urtano e che cambiano direzione di moto
b) l'urto anelastico, dove le particelle osservate dopo l'urto non sono le stesse che c'erano prima. In generale una parte dell'energia
cinetica posseduta dalle particelle collidenti si trasforma in nuova materia secondo la nota relazione E = mc2. Questa materia si
manifesta sotto forma di particelle che prima dell'urto non esistevano.
N.B., non si tratta di materia pre-esistente all'interno delle particelle collidenti che, spaccandosi nell'urto, viene liberata, ma di una vera e
propria creazione di materia per trasformazione di energia cinetica in massa.
Questo metodo è quello più utilizzato dai fisici per scoprire
particelle di tipo nuovo.
Non esistono esempi legati alla fisica classica di questo tipo di processo e le leggi che lo governano, formulate nel contesto
della moderna teoria quantistica relativistica dei campi, sono di tipo probabilistico.
Questo vuol dire che non siamo in grado di sapere quante e quali particelle saranno prodotte in un urto, il cosiddetto stato finale, nonostante
le modalità dell'urto siano ben definite, cioè coinvolga due particelle note, il cosiddetto stato iniziale, e avvenga ad una energia prefissata.
Quello che al massimo possiamo sapere è la probabilità con la quale verrà osservato un certo stato finale piuttosto che un altro. Questo vuole
anche dire che molte collisioni identiche, cioè collisioni del medesimo stato iniziale alla medesima energia, non produrranno sempre lo stesso
stato finale. Quello che si osserva è infatti che un particolare stato finale si presenta in una certa frazione del totale, che un altro stato si presenta
in un'altra frazione e così via. Dopo aver accumulato una statistica sufficientemente elevata, per esempio, si sarà in grado di confrontare la
frequenza di ciò che si è osservato con la probabilità prevista dalla teoria o, nel caso non sia disponibile una previsione teorica, di dare un risultato
sperimentale col quale la teoria dovrà in futuro confrontarsi.
I processi fisici che vengono studiati nelle collisioni fra particelle hanno una probabilità di verificarsi che, in generale, dipende
dall'energia con la quale avviene la collisione. In particolare i processi nei quali potrebbero venire prodotte nuove particelle di grande massa,
come per esempio il bosone di Higgs, non sono permessi se l'energia nel centro di massa della collisione è inferiore alla massa della particella
da creare. Si capisce dunque perché sia così importante avere acceleratori che permettono di fare collidere particelle a grande energia.
Molto spesso,
inoltre, i processi interessanti sono molto rari, cioè è bassa la probabilità che in un urto abbiano luogo. I processi per i quali la probabilità di
verificarsi è bassa si dicono avere piccola sezione d'urto. E' evidente quindi che si devono verificare moltissimi urti prima di poterne osservare
qualcuno interessante. Si capisce così perché sia importante avere acceleratori con alta luminosità, cioè in grado di fare collidere moltissime
particelle ogni secondo. Nel caso specifico di un collisionatore come LHC, l'alta luminosità viene ottenuta facendo circolare il maggior numero di protoni
possibile e facendo in modo che siano il più concentrati possibile in una piccola regione di spazio nel punto nel quale vengono fatti collidere i fasci.
Fig. 1: Tipiche informazioni inviate agli esperimenti dai responsabili dell'acceleratore.
1. Energia del fascio 2. Intensità dei fasci 3. Grafico delle intensità dei fasci al variare del tempo 4. Sommario dello status dell'acceleratore 5. Messaggi agli esperimenti
6. Numero progressivo che indica il numero di volte in cui LHC è stato riempito con protoni/ioni
