L'esperimento ATLAS al Cern
Strumenti di Precisione per la Scoperta delle Particelle Elementari
Storia del Cern
Il CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) è stato fondato il 29 settembre 1954, come frutto di un ambizioso progetto internazionale volto a ricostruire e potenziare la ricerca scientifica in Europa dopo le devastazioni della Seconda Guerra Mondiale. L'idea di creare un laboratorio di fisica nucleare europeo venne discussa per la prima volta nel 1949 durante una conferenza dell'UNESCO a Firenze, promossa dal fisico francese Louis de Broglie. In seguito, un gruppo di scienziati visionari e rappresentanti governativi, tra cui il fisico danese Niels Bohr e l'americano Isidor Isaac Rabi, sostennero l'istituzione di un centro di ricerca che non solo avrebbe posto l'Europa all'avanguardia nella fisica delle particelle, ma avrebbe anche promosso la collaborazione pacifica e lo scambio di conoscenze tra le nazioni.
Il CERN fu inizialmente concepito come una risposta alle crescenti tensioni della Guerra Fredda, offrendo un terreno neutrale per la ricerca scientifica e un'opportunità per gli scienziati europei di competere con le controparti americane e sovietiche. Con 12 stati membri fondatori, il laboratorio iniziò le sue attività con un acceleratore di particelle chiamato Synchro-Cyclotron (SC), che divenne operativo nel 1957. Questo primo successo fu seguito da una rapida espansione delle infrastrutture e delle capacità scientifiche del CERN, inclusa la costruzione del Proton Synchrotron (PS) nel 1959, che rimase per molti anni il più potente acceleratore di particelle al mondo.
Negli anni '70 e '80, il CERN continuò a espandere i suoi orizzonti scientifici e tecnologici. L'introduzione del Super Proton Synchrotron (SPS) nel 1976 permise esperimenti cruciali, tra cui la scoperta dei bosoni W e Z nel 1983, che confermarono la teoria elettrodebole e valsero il Premio Nobel per la Fisica a Carlo Rubbia e Simon van der Meer. Questi successi consolidarono la reputazione del CERN come leader mondiale nella fisica delle particelle. Un'altra svolta storica avvenne negli anni '90 con l'avvio del Large Electron-Positron Collider (LEP), che operò fino al 2000, fornendo importanti dati per il Modello Standard. Tuttavia, la vera rivoluzione venne con la progettazione e la costruzione del Large Hadron Collider (LHC).
Il LHC, inaugurato nel 2008, è l'acceleratore di particelle più grande e potente mai costruito, situato in un tunnel circolare di 27 chilometri sotto il confine franco-svizzero. Esso permette di far collidere protoni a energie mai raggiunte prima, consentendo agli scienziati di esplorare i confini della fisica delle particelle. Una delle scoperte più significative ottenute grazie al LHC è stata l'osservazione del bosone di Higgs nel 2012, una particella fondamentale per la comprensione della massa delle altre particelle elementari, che ha portato al conferimento del Premio Nobel per la Fisica nel 2013 a François Englert e Peter Higgs.
Oggi, il CERN continua a essere un faro della ricerca scientifica mondiale, promuovendo l'innovazione tecnologica e la collaborazione internazionale. Le sue strutture non solo sono al centro delle scoperte più avanzate nella fisica delle particelle, ma servono anche come piattaforme di formazione per migliaia di scienziati provenienti da tutto il mondo, mantenendo viva la missione originale di promuovere la pace e la cooperazione attraverso la scienza.
LHC:
Il Large Hadron Collider (LHC) è un acceleratore di particelle circolare situato in un tunnel lungo 27 km e profondo tra 50 e 175 metri, al confine tra Svizzera e Francia. L'LHC è un collisore che accelera fasci di protoni o ioni pesanti fino a un'energia nel centro di massa di √s = 7 TeV (8 TeV dal 2012) con una luminosità istantanea di circa 10³² cm⁻² s⁻¹ per i fasci di protoni. Per preparare i fasci di particelle che verranno successivamente immessi nel Large Hadron Collider (LHC) vengono impiegati degli iniettori. Questi dispositivi pre-accelerano le particelle a energie sufficientemente elevate prima che entrino nel LHC, garantendo che possano raggiungere le velocità necessarie per le collisioni ad altissima energia. Il sistema di iniettori del CERN è composto da una serie di acceleratori che operano in sequenza, ciascuno con specifiche funzioni e tecnologie avanzate.
LINAC 4:
Il processo di iniezione inizia con Linac 4, un acceleratore lineare che accelera protoni a un'energia di 160 MeV (megaelettronvolt). Inaugurato nel 2017, Linac 4 è il primo passo nella catena di iniettori del CERN e sostituisce il precedente Linac 2. Questo dispositivo utilizza tecnologie avanzate di radiofrequenza (RFQ) per accelerare i protoni e prepararli per il successivo stadio nel complesso degli acceleratori.
PSB:
Dopo essere stati accelerati da Linac 4, i protoni vengono immessi nel Proton Synchrotron Booster (PSB), che li porta a un'energia di 2 GeV. Il PSB è composto da quattro anelli di accelerazione che operano in parallelo, permettendo di trattare grandi volumi di particelle simultaneamente. Il ruolo del PSB è cruciale per incrementare l'energia e l'intensità del fascio prima che entri nel Proton Synchrotron (PS).
PS:
Il Proton Synchrotron (PS), operativo dal 1959, accelera ulteriormente i protoni fino a 26 GeV. Questo anello di accelerazione ha una lunga storia di contributi fondamentali alla fisica delle particelle, avendo supportato esperimenti che hanno portato a scoperte premiate con il Nobel. Nel contesto dell'LHC, il PS agisce come intermediario, preparando i fasci per il successivo trasferimento al Super Proton Synchrotron (SPS).
SPS:
Il Super Proton Synchrotron (SPS), operativo dal 1976, rappresenta l'ultimo stadio prima dell'iniezione nel LHC. Questo acceleratore porta i protoni a un'energia di 450 GeV. Il SPS è stato il sito di molte scoperte scientifiche significative, tra cui la scoperta dei bosoni W e Z.
Per l'LHC, il SPS funziona come accumulatore e pre-acceleratore, assicurando che i fasci di protoni siano alla giusta energia e configurazione prima di essere immessi nel LHC. Una volta che i fasci di protoni hanno raggiunto l'energia desiderata nel SPS, vengono trasferiti nel LHC. Il processo di iniezione è altamente sincronizzato e avviene tramite un complesso sistema di trasferimento di fasci, che utilizza magneti speciali per dirigere e focalizzare i fasci di particelle.Ogni fascio è composto da 3564 bunch (di cui nel 2011 solo 1400 erano pieni), separati da 25 ns l'uno dall'altro e contenenti circa 10¹¹ protoni ciascuno. In figura 2.1 è mostrato il complesso di acceleratori del CERN. Nei quattro punti di interazione, dove i fasci si incrociano, sono collocati i quattro principali esperimenti:
- ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS): un esperimento multi-purpose progettato per esplorare un'ampia gamma di fenomeni fisici e scoprire particelle pesanti come il bosone di Higgs, oltre a tracce di nuova fisica come l'origine della massa e dimensioni extra.
- CMS (Compact Muon Solenoid): un altro esperimento multi-purpose con obiettivi simili a quelli di ATLAS, ma che utilizza tecnologie diverse.
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment): dedicato alle collisioni di ioni pesanti.
- LHCb: focalizzato sulla fisica dei mesoni B.
L'LHC è dotato di 1232 magneti a dipolo, ciascuno lungo 15 metri e raffreddato con elio superfluido a una temperatura di 1,9 K. Ogni magnete contiene cavi superconduttori avvolti in bobine, che generano un campo magnetico medio di 8,3 T quando attraversati da corrente elettrica, mantenendo i fasci su una traiettoria circolare. I fasci circolano in direzioni opposte in due camere separate a vuoto ultra spinto (10⁻¹⁰ torr).
Curiosità:
Primo sito web: In aggiunta a questa innovazione rivoluzionaria, il CERN non è stato solo un pioniere nella fisica delle particelle, ma ha anche svolto un ruolo cruciale nello sviluppo della tecnologia e della comunicazione globale. Nel 1989, Tim Berners-Lee, un informatico del CERN, inventò il World Wide Web, trasformando radicalmente il modo in cui le informazioni vengono condivise e accessibili in tutto il mondo.
Internet a banda larga: Il CERN ha una connessione internet molto potente per gestire l'enorme quantità di dati generati dagli esperimenti. La rete del CERN può trasferire dati a una velocità di 1 terabit al secondo, sufficiente per trasferire 200.000 film HD in un giorno.
Temperature estreme: Le temperature all'interno dell'LHC sono estremamente basse, vicine allo zero assoluto (-271,3 °C), per mantenere i magneti superconduttori. Tuttavia, quando le particelle collidono, le temperature possono raggiungere livelli milioni di volte superiori a quelli del centro del sole.
Energia colossale: Quando il LHC è in piena operazione, consuma circa 120 megawatt di energia elettrica, simile al consumo di una città di circa 300.000 abitanti.
Storia di Atlas
Le idee iniziali per i rivelatori dell'LHC e il loro potenziale fisico furono studiate nel 1984 in un workshop a Losanna, coinvolgendo fisici sperimentali e teorici ed esperti di acceleratori. Questi studi si evolsero tra la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90 in collaborazioni informali tra molti istituti per sviluppare tecnologie da utilizzare in un futuro esperimento LHC. La Collaborazione ATLAS nacque nell'estate del 1992 dalla fusione di due gruppi di lavoro che avevano sviluppato concetti di rivelatori basati su una configurazione di magneti toroidali per muoni. Nell'ottobre 1992, ATLAS presentò una Lettera di Intenti (LoI) al nuovo Comitato degli Esperimenti LHC del CERN (LHCC), proponendo un esperimento a scopo generale per l'LHC.
La LoI includeva varie opzioni progettuali e tecniche che dovevano essere affinate negli anni successivi, compresa la scelta del sistema di magneti toroidali superconduttori. Il concetto del rivelatore fu praticamente definito al momento della presentazione della Proposta Tecnica (TP) al LHCC nel dicembre 1994, che ridusse anche i costi dove possibile. Quasi 20 Rapporti di Progettazione Tecnica dettagliati furono esaminati dal LHCC tra il 1995 e il 2005 per i vari componenti del rivelatore. Dopo la TP, il progetto subì diverse modifiche riguardanti l'implementazione dettagliata delle tecnologie selezionate, basate su studi di prototipi in test di fasci di particelle e ulteriori ottimizzazioni dei costi.
Il progetto fu formalmente approvato nel gennaio 1996 e il budget per la costruzione completa fu stabilito con un tetto di spesa di 475 MCHF (al tasso di cambio del 1995) nel 1998. Solo una piccola parte dei fondi, condivisi tra tutti i partner del progetto, era disponibile centralmente. I componenti del rivelatore furono costruiti in tutto il mondo negli istituti della collaborazione e nelle industrie locali, sotto la loro responsabilità, e poi consegnati al CERN come contributi "in natura" al rivelatore ATLAS.
ATLAS è una collaborazione internazionale che è cresciuta da circa 850 scienziati di 88 istituti al momento della LoI agli attuali 2900 scienziati di 183 istituti situati in 38 paesi di tutti i continenti abitati. Un buon terzo di questi partecipanti sono studenti di dottorato.
Le prime collisioni dell'LHC furono registrate da ATLAS il 23 novembre 2009, all'energia di iniezione del collisore (collisioni pp a 900 GeV). Le collisioni ad alta energia iniziarono il 30 marzo 2010, a 7 TeV fino alla fine del 2011, e aumentarono a 8 TeV nel 2012. Questo periodo, che vide la scoperta del bosone di Higgs, è ora noto come LHC Run 1. Dopo una chiusura di due anni del collisore, denominata primo lungo shut down (LS1), durante la quale la macchina è stata consolidata per raggiungere le prestazioni di progetto, il Run 2 dell'LHC iniziò alla fine della primavera del 2015 a un'energia di collisione di 13 TeV. Questo periodo di funzionamento è durato fino al 2019, seguito da un successivo lungo shut down (LS2) e da ulteriori cicli operativi.
Atlas e i suoi obiettivi
Generale
ATLAS è una collaborazione di fisici, ingegneri, tecnici, studenti e personale di supporto provenienti da tutto il mondo. È uno dei più grandi sforzi collaborativi mai tentati nella scienza, con oltre 5500 membri e quasi 3000 autori scientifici. Il successo di ATLAS dipende dalla stretta collaborazione tra i team di ricerca situati al CERN e presso università e laboratori membri in tutto il mondo.
Ha le dimensioni di un cilindro, lungo 46 metri e con un diametro di 25 metri, ed è situato in una caverna a 100 metri di profondità. Il rivelatore ATLAS pesa 7000 tonnellate, simile al peso della Torre Eiffel.
Il rivelatore stesso è uno strumento a molti strati progettato per rilevare alcune delle particelle più piccole ma più energetiche mai create sulla Terra. È composto da quattro diversi sottosistemi di rilevamento avvolti concentricamente in strati attorno al punto di collisione per registrare la traiettoria, il momento e l'energia delle particelle, permettendo di identificarle e misurarle singolarmente. Un enorme sistema di magneti piega i percorsi delle particelle cariche in modo che i loro momenti possano essere misurati con la massima precisione possibile.
Fasci di particelle che viaggiano a energie fino a sette trilioni di elettronvolt, o a velocità fino al 99,999999% di quella della luce, provenienti da LHC, collidono al centro del rivelatore ATLAS, producendo detriti di collisione sotto forma di nuove particelle che volano in tutte le direzioni. Nel rivelatore ATLAS avvengono oltre un miliardo di interazioni di particelle ogni secondo, con una velocità di acquisizione dati equivalente a 20 conversazioni telefoniche simultanee tenute da ogni persona sulla Terra. Solo una su un milione di collisioni viene segnalata come potenzialmente interessante e registrata per ulteriori studi. Il rivelatore traccia e identifica le particelle per indagare un'ampia gamma di fenomeni fisici, dallo studio del bosone di Higgs e del quark top alla ricerca di dimensioni extra e particelle che potrebbero costituire la materia oscura.
Obiettivi
L'Esperimento ATLAS è un esperimento di fisica delle particelle a scopo generale presso il Grande Collisore di Adroni (LHC) del CERN. Il suo obiettivo è comprendere la natura dei più piccoli mattoni di base della materia nell'universo studiando le collisioni di protoni e nuclei pesanti alla frontiera dell'alta energia. Le collisioni ad alta energia ricreano anche condizioni che sarebbero esistite pochi istanti dopo il Big Bang.
ATLAS è progettato per sfruttare appieno il potenziale di scoperta dell'LHC, spingendo i confini della conoscenza scientifica. La sua esplorazione utilizza misurazioni di precisione per cercare risposte a domande fondamentali come: Quali sono i mattoni di base della materia? Quali sono le forze fondamentali della natura? Di cosa è fatto la materia oscura?
Studiando le collisioni prodotte dall'LHC, ATLAS mira a scoprire nuove particelle al di là di quelle previste dal Modello Standard della fisica delle particelle, inclusi potenziali candidati per la materia oscura. Inoltre, contribuisce all'indagine dettagliata delle proprietà del bosone di Higgs ed esplora la possibilità di dimensioni extra oltre le tre dimensioni spaziali conosciute.
Futuro
Nel 2026, dopo una seconda fase di aggiornamento, l'LHC raggiungerà una luminosità di 5 ∙ 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. Si prevede che i dati raccolti complessivamente raggiungeranno 3000 fb⁻¹, circa 100 volte più dati rispetto a quelli raccolti durante il Run 1. Per questa fase operativa, i componenti del rivelatore ATLAS avranno 15-20 anni e saranno quindi necessari importanti aggiornamenti di molti sottorivelatori, in particolare il rivelatore di tracciamento, che nella sua forma attuale non sopravviverà al più severo ambiente radiativo. Per soddisfare questa esigenza, i rivelatori di tracciamento saranno completamente sostituiti con un nuovo design interamente in silicio. Anche il trigger di Livello-1 dovrà subire importanti rinnovamenti per gestire l'aumento dei tassi di eventi. Per ottenere ciò, sarà aggiunto uno strato decisionale aggiuntivo al sistema di trigger. L'attuale sistema di Livello-1 sarà aggiornato per ridurre il tasso complessivo di eventi a 4 MHz entro 10 microsecondi. Successivamente, verrà aggiunto un nuovo sistema di trigger che utilizza informazioni dal rivelatore di tracciamento per ridurre il tasso a 800 kHz entro 35 microsecondi. Inoltre, il modello di calcolo sarà revisionato per gestire i campioni di dati ancora più grandi.
Come funziona ATLAS?
L'esperimento Atlas è suddiviso in quattro componenti:
1.Il sistema di magneti
Il campo magnetico di ATLAS è generato da quattro sistemi di magneti superconduttori: un solenoide, un toroide centrale e due toroidi anteriori. Questi magneti sono essenziali per misurare la carica e la quantità di moto delle particelle attraverso la determinazione della curvatura delle loro traiettorie.
Il solenoide, situato attorno alla cavità dell'Inner Detector, è un magnete superconduttore che genera un campo magnetico di 2 T, mantenuto a una temperatura di 4.5 K tramite un flusso di elio liquido. Il toroide centrale è composto da otto bobine superconduttrici che generano un campo magnetico di 4 T, con l'asse coincidente con quello dei fasci. Queste bobine sono lunghe 25 m e larghe 5.5 m, e sono anch'esse mantenute a una temperatura di 4.5 K. I due toroidi anteriori generano un campo magnetico in prossimità dei fasci per deflettere le particelle emesse con piccoli angoli rispetto alla direzione del fascio.
2. Inner Detector
L'Inner Detector (ID) è il primo componente dell'esperimento ATLAS a rilevare i prodotti di decadimento delle collisioni proton-proton. È compatto e altamente sensibile, composto da tre diversi sistemi di sensori, tutti immersi in un campo magnetico parallelo all'asse del fascio. L'ID misura la direzione, la quantità di moto e la carica delle particelle elettricamente cariche prodotte in ogni collisione.
Componenti principali dell'Inner Detector:
- Pixel Detector
Il Pixel Detector è il primo punto di rilevazione nell'esperimento ATLAS, situato molto vicino alla linea del fascio LHC. Le particelle cariche prodotte nelle collisioni lasciano tracce energetiche misurate con estrema precisione, permettendo di determinare l'origine e la quantità di moto delle particelle. La sua struttura compatta e ad alta granularità consente di rilevare particelle a vita breve, contribuendo in modo fondamentale alla comprensione delle collisioni.
- Semiconductor Tracker (SCT)
Il Semiconductor Tracker circonda il Pixel Detector e ricostruisce le tracce delle particelle cariche prodotte nelle collisioni. Utilizzando numerosi strati di sensori al silicio, assicura che ogni particella attraversi almeno quattro strati, permettendo una misurazione precisa della traiettoria. Questa disposizione offre una visione dettagliata del percorso delle particelle, misurando con accuratezza la loro quantità di moto e posizione.
- Transition Radiation Tracker (TRT)
Il Transition Radiation Tracker è l'ultimo strato dell'Inner Detector, cruciale per ricostruire le tracce delle particelle e identificarne il tipo. Utilizza tubi sottili riempiti di gas che, attraversati dalle particelle cariche, ionizzano il gas creando segnali elettrici rilevabili. Inoltre, sfrutta la radiazione di transizione per distinguere tra diversi tipi di particelle, come elettroni e pioni, fornendo informazioni cruciali per l'analisi dei dati.
3. Calorimetri:
Il sistema dei calorimetri di ATLAS è costituito da un calorimetro elettromagnetico e da un calorimetro adronico, che circondano l'Inner Detector. Entrambi sono di tipo a campionamento, composti da strati di materiale pesante come materiale convertitore alternati a strati di materiale attivo per rivelare il segnale prodotto. L'Argon liquido è utilizzato come materiale attivo, mentre il piombo è usato nel calorimetro elettromagnetico e Ferro, Rame e Tungsteno nel calorimetro adronico. Questi calorimetri rivelano e misurano l'energia depositata dalle particelle incidenti, permettendo l'identificazione e la misura dell'energia delle particelle. La risoluzione in energia di un calorimetro è parametrizzata da una relazione che tiene conto dei materiali di cui è composto, del rumore dei canali di lettura e dell'omogeneità del calorimetro.
4. Il sistema a muoni
Lo spettrometro a muoni è un dispositivo cilindrico lungo 46 metri con un diametro esterno di circa 22 metri. Grazie ai magneti toroidali, può misurare la deflessione e l'impulso dei muoni. È composto da camere di trigger per una rapida misura dell'impulso e da camere di tracciamento ad alta precisione per una misura accurata dell'impulso dei muoni. Le camere di trigger, come le RPC e le TGC, rilevano il passaggio dei muoni generando segnali letti da strip ortogonali per misurare la direzione. Le camere di tracciamento, come le MDT e le CSC, misurano la posizione delle traiettorie dei muoni attraverso l'ionizzazione del gas e il segnale raccolto su strip.
Il modello standard
La fisica delle particelle e le loro interazioni sono descritte dal Modello Standard, formulato negli anni '70. Questo modello postula che i costituenti fondamentali della materia siano 12 fermioni (particelle con spin 1/2), suddivisi in 6 quark e 6 leptoni, insieme alle rispettive antiparticelle (figura 1.1). Le antiparticelle hanno lo stesso tipo e massa delle particelle corrispondenti, ma con carica elettrica opposta; l'antiparticella dell'elettrone, ad esempio, è chiamata positrone (e+).
Sia i leptoni che i quark sono organizzati in tre famiglie. Per quanto riguarda i leptoni, la prima famiglia è composta dall'elettrone (e) e dal neutrino elettronico (νe), la seconda dal muone (µ) e dal neutrino muonico (νμ), e la terza dal tau (τ) e dal neutrino tauonico (ντ). L'elettrone, il muone e il tau hanno tutti carica elettrica negativa, mentre i tre neutrini sono elettricamente neutri. Il muone e il tau possiedono proprietà simili a quelle dell'elettrone in termini di interazioni, ma sono più pesanti e instabili. I neutrini hanno una massa molto piccola, possono oscillare tra le diverse famiglie e interagiscono solo tramite l'interazione debole.
I quark sono fermioni che esistono in sei diversi sapori (flavour): u, d, c, s, t, b. I quark u, c e t hanno una carica elettrica frazionaria di +2/3, mentre i quark d, s e b hanno una carica di -1/3. La prima famiglia di quark include u e d, la seconda c e s, e la terza t e b. Il quark s (strange) fu introdotto per spiegare il comportamento delle particelle "strane" osservate nei raggi cosmici, le quali, pur essendo prodotte da interazioni forti, decadono con una vita media lunga, tipica delle interazioni deboli.
I quark c, b e t (charm, bottom, top) sono stati scoperti grazie agli acceleratori di particelle. L'ultimo ad essere osservato è stato il quark top, rilevato per la prima volta al Tevatron (FermiLab, USA) nel 1995 e ora prodotto abbondantemente al LHC. Ogni quark possiede un ulteriore grado di libertà chiamato colore, che può essere rosso, verde o blu. Poiché i quark hanno carica elettrica, flavour e colore, risentono rispettivamente delle interazioni elettromagnetica, debole e forte.
A differenza dei leptoni, i quark non sono mai stati osservati liberi, ma si combinano con altri quark per formare particelle chiamate adroni. Esistono due tipi di adroni: i barioni, formati da tre quark, come il protone, e i mesoni, formati da una coppia quark-antiquark, come il pione (π). I protoni e i neutroni sono composti ciascuno da tre quark: il protone da due quark u e un quark d (uud) e il neutrone da due quark d e un quark u (ddu). La somma delle cariche dei quark costituenti dà una carica totale di +1 per il protone e nulla per il neutrone. I mesoni, particelle instabili che non costituiscono la materia ordinaria ma sono prodotte abbondantemente negli acceleratori, sono formati da una coppia quark-antiquark.
Le forze tra le particelle elementari sono descritte da quattro interazioni fondamentali: la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza debole e la forza forte, quest'ultima responsabile dell'interazione tra i quark all'interno degli adroni. Nella teoria dei campi, queste interazioni sono mediate dallo scambio di bosoni, particelle con spin intero: il fotone per l'interazione elettromagnetica, i bosoni W+, W− e Z0 per l'interazione debole, gli otto gluoni per l'interazione forte e il gravitone (con spin 2) per la forza gravitazionale. La forza elettromagnetica e quella debole sono state unificate nella forza elettrodebole. Il Modello Standard è la teoria che descrive le forze elettrodebole e forte, ma non include una descrizione della gravità.
La grandezza relativa delle varie interazioni è approssimativamente rappresentata dai seguenti rapporti:
forte : elettromagnetica : debole : gravitazionale
1 : 10-2 : 10-7 : 10-39
Da questi rapporti, si evince che la gravitazione non ha un ruolo significativo nella fisica delle particelle.
Le unità di misura tipicamente utilizzate nella fisica delle particelle includono il GeV per le energie, equivalente a 109 eV (1 GeV = 1.602 ∙ 10-10 J), e il GeV/c² (talvolta semplicemente GeV, ponendo c = 1) per le masse (1 GeV/c² = 1.78 ∙ 10-27 kg). Ad esempio, la massa del quark top, che è circa 175 GeV, è approssimativamente 175 volte quella di un protone. Le distanze sono misurate in femtometri (fm), dove 1 fm = 10-13 cm, approssimativamente la dimensione di un protone. I quark sono considerati puntiformi; se avessero una struttura, il loro raggio sarebbe almeno mille volte più piccolo di quello di un protone.
Il Modello Standard non prevede una massa per le particelle e per i bosoni massivi W± e Z. Per spiegare la massa di queste particelle è stato introdotto il meccanismo di Higgs, che postula l'esistenza di una nuova particella scalare. Il bosone di Higgs rappresenta l'ultimo elemento mancante per la conferma del Modello Standard e la sua ricerca è uno degli obiettivi fondamentali del LHC. Attualmente, dopo il seminario pubblico tenutosi al CERN il 13 dicembre 2011, si ritiene che il bosone di Higgs, se esiste, abbia una massa compresa tra 115 e 127 GeV con un livello di confidenza del 95%.
Le particelle vengono rivelate negli apparati sperimentali in base alle loro interazioni con la materia. Le particelle cariche, come elettroni, muoni, tau e adroni carichi, interagiscono tramite la forza elettromagnetica e tendono a ionizzare il materiale del rivelatore, producendo un segnale elettrico lungo il loro percorso. Una particella neutra, come un fotone o un neutrone, non lascia segnale nei tracciatori ma viene identificata misurando l'energia rilasciata nel calorimetro elettromagnetico o adronico. I neutrini, che interagiscono solo tramite la forza debole, attraversano il rivelatore senza lasciare traccia diretta e sono rivelati indirettamente attraverso la conservazione dell'energia nel piano trasverso alla direzione di collisione. Un muone ad alta energia, nonostante sia instabile (decade in un elettrone e un neutrino), non ha tempo di decadere all'interno del volume del rivelatore e appare come una traccia che attraversa tutto il rivelatore, raggiungendo anche le parti più esterne.