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Lo strumento di indagine fondamentale nella fisica subnucleare e nucleare è costituito dalla combinazione di collisori e rivelatori di particelle: l'obiettivo è far avvenire scontri fra componenti degli atomi, in particolare elettroni, protoni e nuclei, e studiarne le conseguenze per ricavare informazioni sulla loro struttura e la loro interazione.
Nei collisori di particelle e antiparticelle si producono violenti urti in seguito ai quali esse si annichilano, cioè si trasformano in pura energia, la quale a sua volta si converte in particelle di tipo diverso.
Questo processo di conversione da energia a particelle è descritto dall'equazione di Einstein E=mc2.
Nei moderni collisori si tenta di far avvenire urti tra particelle che si muovono a velocità estremamente elevate, così da produrre grandissime quantità di energia e generare nuove particelle di massa sempre maggiore. Per ottenere queste velocità si utilizzano potenti acceleratori nei quali le particelle subiscono "spinte" successive per effetto di una serie di campi elettromagnetici.
I punti di collisione tra particelle sono circondati da enormi rivelatori composti da diversi tipi di dispositivi, ognuno dei quali misura differenti proprietà delle particelle che vengono generate dagli urti.
La necessità di utilizzare acceleratori, collisori, e rivelatori sempre più grandi e complessi ha avuto come conseguenza la concentrazione delle ricerche in fisica nucleare e subnucleare in grandi centri internazionali.
La sfida più ambiziosa che INFN è attualmente impegnata ad affrontare è la partecipazione alla costruzione del grande collisore LHC presso il CERN. La speranza è di generare urti che producano così tanta energia da permettere di osservare il bosone di Higgs: l'inafferrabile particella che si ritiene responsabile del meccanismo che assegna la massa a tutte le altre particelle.
