LHC apre un varco nei sentieri della nuova fisica

Colloquio con il prof. Paganoni

In cosa consiste l’esperimento LHC?

LHC (Large Hadron Collider) è il più potente acceleratore di particelle attualmente in funzione al mondo.

È frutto del lavoro di 15 anni di una comunità internazionale di 7000 fisici, riuniti attorno al CERN, il Laboratorio di Fisica delle Particelle che ha sede a Ginevra dal 1954. LHC accelera pacchetti di protoni ad un’energia di 7 TeV (7000 volte la loro massa) e li fa collidere contro pacchetti di protoni che percorrono in senso inverso la stessa traiettoria, un anello di 27 Km a 100 metri sotto terra (i protoni viaggiano ad una velocità pari al 99,991% di quella della luce). Funziona come un potentissimo microscopio e permette alla comunità scientifica di vedere all’interno della materia con un’altissima risoluzione. Nei quattro punti di collisione giganteschi rivelatori di particelle (ALICE, ATLAS, CMS ed LHCb) misurano con la massima precisione possibile la dinamica degli eventi generati dalle collisioni dei protoni.

Con la partenza di LHC alla fine del 2009 è appena iniziata un’avventura alle frontiere della scienza, un viaggio in regioni non ancora esplorate della fisica di base, con lo scopo chiaro di comprendere quali siano i costituenti della materia e quali siano le interazioni tra di loro. Ma LHC è anche il risultato di tecnologie avanzatissime in svariati settori, dall’elettronica alla superconduttività, dal computing alla fisica dei materiali. Ed inoltre attira una comunità scientifica da tutto il mondo, fatto che costituisce di per sé un enorme successo.

Marco Paganoni
INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Presidente Commissione Calcolo e Reti
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Generalmente si associa LHC al Big Bang e ai segreti dell’Universo, ma quali sono questi segreti da scoprire?

La conoscenza attuale della fisica delle particelle è riassunta nel cosidetto Modello Standard, che decenni di esperimenti hanno sempre confermato, anche nelle misure più delicate. Manca però all’appello una particella importantissima, il bosone di Higgs, detta “particella di Dio” in quanto sarebbe all’origine della massa delle altre particelle, che però non è ancora stata osservata sperimentalmente. Se davvero esiste e quindi la teoria del Modello Standard descrive correttamente il funzionamento della natura, dopo qualche anno di presa dati a LHC, questa particella non potrà sfuggirci! I compiti di LHC non si esauriscono però nella ricerca del bosone di Higgs.

Ci aspettiamo una “nuova fisica” che vada oltre il Modello Standard, che lo arricchisca per intenderci, ovvero la fisica prevista da teorie importanti come le Supersimmetrie e le Extradimensioni. Nuova luce verrà quindi fatta anche sull’esistenza di dimensioni extra dello spazio e del tempo e sulla materia oscura, che costituisce la maggior parte della massa dell’Universo ed è detta oscura perché, pur determinando la dinamica gravitazionale delle galassie, non contribuisce alla fusione nucleare nelle stelle. Inoltre conosceremo la fisica dell’Universo nei primi istanti dopo il Big Bang, riproducendo nelle collisioni tra ioni piombo le altissime densità di energia iniziali, ovvero il plasma di quark e gluoni. Capiremo meglio l’asimmetria tra materia ed antimateria, che ha permesso che oggi l’Universo non sia fatto solo di radiazione.

Come si sta procedendo?

LHC genera una miniera d’oro di nuovi dati sperimentali e ogni anno circa 15 Petabyte di nuovi dati, corrispondenti a 20 millioni di CD, sono analizzati da circa 7000 scienziati provenienti da 500 istituti di ricerca e università in tutto il mondo. I dati sono gestiti accuratamente e dovranno essere resi disponibili in modo efficiente per l’intera durata di LHC, più di 15 anni. La complessa struttura dei dati, la quantità di risorse necessaria per archiviarli ed analizzarli e la distribuzione geografica di fisici su tutto il pianeta hanno costituito per la comunità della fisica delle particelle una sfida difficile, dato che le esigenze di calcolo sono cresciute di quasi un fattore mille rispetto agli acceleratori della generazione precedente.

Come avete affrontato la sfida dell’analisi dell’enorme mole di dati prodotti?

Qualunque soluzione adottata doveva essere abbastanza flessibile per assicurare un servizio affidabile su un lungo periodo, permettendo allo stesso tempo migrazioni a nuove tecnologie più convenienti e integrando nuove risorse e servizi.

È stato l’INFN a lanciare nel 1999 la prima proposta di adottare Computing Grid, un modello distribuito per l’archiviazione e l’analisi dei dati, come la tecnologia in grado di risolvere la complessa sfida posta dalle esigenze di calcolo a LHC. A partire dal lancio del primo progetto italiano destinato alla realizzazione di una infrastruttura Grid (https://grid.infn.it), i ricercatori dell’INFN sono stati pionieri nelle attività di R&D per Grid, definendo, implementando ed applicando ai casi concreti il paradigma del Grid Computing. Attualmente l’INFN è uno dei partner più attivi nel progetto WLGC (Worldwide LHC Computing Grid, https://lcg.web.cern.ch), il cui scopo è di realizzare e mantenere un’infrastruttura per l’archiviazione e l’analisi dei dati per tutta la comunità di fisici che partecipano a LHC. Sono stati quindi integrati migliaia di computer sparsi in tutto il mondo per creare una straordinaria capacità di calcolo e di elaborazione (Computing Grid letteralmente sta per “griglia di calcolo”). I computer appartenenti a diversi centri di ricerca, sono collegati tra loro da una rete ottica privata (OPN) che utilizza la rete europea della ricerca GÉANT insieme a quella italiana GARR e alle altre Reti Nazionali per la Ricerca (NREN) di tutta Europa, che collegano più di metà dei centri di calcolo attorno al globo. Il progetto LHC Computing Grid sta usando un’infrastruttura di griglia che conta su connessioni garantite ad altissima capacità, con link dedicati punto-punto a 10 Gbps, tra i centri di elaborazione dati distribuiti attorno al globo.

Quali sono i risultati raggiunti? E quelli ancora da raggiungere?

Nel corso dei primi mesi abbiamo ritrovato tutta la fisica delle particelle, così come la conosciamo da 50 anni di sperimentazione. Ora è necessario analizzare questi dati con la massima apertura mentale perché la scoperta è sempre dietro l’angolo e può aprire la strada ad orizzonti completamente nuovi, sia confermando teorie sviluppate, sia con sorprese che possono rimettere in discussione tutto quello che conosciamo.

Per maggiori informazioni:
https://public.web.cern.ch/public/en/LHC
https://www.infn.it/lhcitalia