Come funzionerà il nuovo, enorme acceleratore del Cern

Lhc non è abbastanza, evidentemente. Nei piani del Cern c’è un super-acceleratore di particelle, la cui circonferenza misurerà 100 chilometri. Si chiamerà Future Circular Collider e costerà 21 miliardi di dollari. Cosa speriamo di scoprire?

lhc-cern-collisione(immagine: Getty Images)

Lhc è il più grande acceleratore di particelle del mondo. Nel suo tunnel sotterraneo da 27 chilometri ha ottenuto una delle scoperte più importanti degli ultimi decenni, dimostrando l’esistenza del bosone di Higgs, la famosa “particella di dio” (nome poco amato dagli scienziati), ultimo pezzo mancante nel modello standard della fisica. Nonostante i record, al Cern non si dorme sugli allori. Dopo anni di dibattiti interni, i fisici del consorzio europeo hanno appena deciso di venire allo scoperto, illustrando il progetto che potrebbe mantenere l’Europa alla guida della ricerca nella fisica delle particelle nei decenni a venire. Quel che è certo è che è che si è deciso di pensare in grande: nei piani del Cern il successore di Lhc vanterebbe infatti un tunnel di 100 chilometri, dove accelerare particelle fino a velocità 7 volte superiori a quelle attualmente raggiunte nel Large Hadron Collider.

Il progetto, a dire il vero, è pronto da tempo. Ma è solo nel 2020 Update of the European Strategy for Particle Physics, approvato lo scorso 19 giugno dal consiglio direttivo del Cern che la realizzazione del Future Circular Collider, o Fcc (questo il nome scelto per il successore di Lhc), è stata proposto ufficialmente. L’obiettivo è quello di arrivare a un acceleratore di protoni capace di raggiungere collisioni da almeno 100 teraelectronvolt (Tev), praticamente il massimo immaginabile con le attuali tecnologie. Un upgrade sostanziale rispetto ai 14 Tev ottenuti con gli ultimi aggiornamenti di Lhc, sufficiente – sperano gli scienziati del Cern – per veder apparire nuove misteriose particelle che aiutino a superare l’ormai stagnante modello standard della fisica, che da oltre 40 anni continua a frustrare i sogni di “nuova fisica” della comunità scientifica.

acceleratore(immagine: Cern)

L’enorme anello sotterraneo del nuovo Fcc, che arriverebbe praticamente a circondare la città di Ginevra, potrebbe costare qualcosa come 20 miliardi di euro, e nei piani del Cern dovrebbe vedere la luce intorno al 2040. Mutuando la strategia utilizzata per la realizzazione di Lhc, il progetto si svilupperebbe in due fasi successive. In un primo momento, la struttura sarebbe dedicata alle operazione di un acceleratore pensato per far collidere elettroni e positroni, come il Lep (o Large Electron-Positron Collider) che ha operato nelle strutture del Cern fino al 2000, quando è stato smantellato per fare posto a Lhc. Questo dispositivo otterrebbe collisioni ad energie ben inferiori ai 100 Tev, ma sarebbe pensato espressamente per ottenere una Higgs factory, cioè una struttura dove produrre altissime quantità di bosoni di Higgs e studiarne in dettaglio le caratteristiche.

Nel frattempo, ricerca e sviluppo dovrebbero riuscire a produrre le tecnologie necessarie per passare alla fase successiva, che culminerebbe nello smantellamento del primo acceleratore, e la costruzione di un acceleratore di protoni (come l’attuale Lhc), capace di raggiungere i fatidici 100 Tev di potenza. Con questo strumento si passerebbe infine a ricerche all’avanguardia, che nella speranza dei suoi promotori dovrebbero portare a nuove scoperte oggi inimmaginabili, e ad aprire una nuova stagione per la fisica delle particelle. Un piano certamente ambizioso, che per vedere la luce però dovrà superare le perplessità di una parte della comunità scientifica, e soprattutto trovare finanziatori disposti a sostenerne gli altissimi costi economici. Due problemi non da poco, tanto che intervistata da Science, il direttore generale del Cern Fabiola Gianotti ha tenuto a precisare che “Attualmente non abbiamo ancora raccomandato l’implementazione di nessun progetto, e ci vorrà ancora qualche anno prima che questo accada”.

Sul piano scientifico, i dubbi riguardano principalmente due aspetti del progetto: la tecnologia scelta, e il rapporto costi benefici dell’impresa. Riguardo al primo punto, il dibattito sul miglior candidato per sostituire Lhc va avanti da circa un decennio, e nonostante il recente endorsement nei confronti del Future Circular Collider, la verità è che la questione non è ancora risolta. L’alternativa, non priva di supporter tra i fisici delle particelle, è quella di costruire un acceleratore lineare: un tunnel che potrebbe raggiungere una lunghezza di circa 30 chilometri, dove sparare elettroni per produrre collisioni con una potenza massima di circa 3 Tev. Per capire vantaggi e svantaggi dei diversi progetti bisogna soffermarsi sulle caratteristiche dei due tipi di acceleratori: quelli lineari, o Linac, e quelli circolari, anche conosciuti come sincrotroni.

Il primo tipo spara particelle lungo un percorso lineare, mentre il secondo sfrutta dei campi magnetici per accelerarle su un percorso circolare, e in questo modo può far compiere più giri a una particella continuando ad aumentarne la velocità. Può produrre quindi collisioni di potenza molto superiore, ma ha un limite: nel loro percorso circolare le particelle emettono una radiazione elettromagnetica nota come radiazione di sincrotrone e in questo modo perdono energia in funzione inversa alla loro massa. Questo li rende poco efficienti nel caso di particelle leggere come gli elettroni, mentre risultano perfetti come acceleratori di protoni. Come si sceglie quali particelle accelerare. Dipende dall’obbiettivo che ci si è posti. Gli elettroni permettono infatti di ottenere collisioni più precise e semplici da analizzare, ma al contempo possono raggiungere livelli di energia limitati. Solitamente vengono per questo utilizzati per studiare le caratteristiche di particelle già note. Mentre gli acceleratori di protoni producono collisioni più caotiche ma permettono di generare particelle di massa maggiore raggiungendo livelli energetici ben più elevati. Per questo motivo vengono solitamente utilizzati per scoprire nuove particelle sconosciute.

Chiarite queste caratteristiche, è evidente che la scelta migliore per la Higgs factory che vogliono realizzare al Cern sarebbe un acceleratore lineare. E infatti un progetto simile è ancora in ballo: si chiama Clic (per Compact Linear Collider) e rappresenterebbe l’alternativa europea all’International Linear Collider, che dovrebbe sorgere in Giappone, e al Chinese Electron-Positron Collider sviluppato in Cina. Il progetto del Future Circular Collider in due tappe ha però un vantaggio essenziale: l’acceleratore di elettroni circolare previsto per la fase iniziale avrebbe effettivamente una potenza minore rispetto a un equivalente acceleratore lineare, ma i tunnel costruiti per realizzarlo potranno poi essere riutilizzati nella seconda fase del progetto per realizzare il nuovo, potentissimo, acceleratore di protoni sognato dai ricercatori del Cern.

Per ora, il 2020 Update of the European Strategy for Particle Physics lascia aperte entrambe le possibilità, pur puntando con più decisione sul Future Circular Collider come strumento per mantenere il primato europeo nel campo della fisica delle particelle. Per una decisione definitiva bisognerà attender il prossimo update delle strategie a lungo termine del Cern, previsto tra sei o sette anni. Nel frattempo, bisognerà anche capire se i governi dei paesi che partecipano al Cern saranno interessati a finanziare questi nuovi progetti miliardari. E qui entra il gioco il secondo dubbio che funesta la realizzazione del Future Circular Collider: il rapporto costi benefici dell’impresa. Nel caso di Lhc, infatti, l’obbiettivo era chiaro: cercare il bosone di Higgs e altre particelle con una massa compresa nel range rivelabile dall’acceleratore, la cui esistenza era prevista dalla maggior parte dei fisici teorici. Il nuovo Fcc invece si muoverebbe in territori inesplorati, andando a caccia di ipotetiche particelle sconosciute che violino le teorie disponibili. In questo senso, nulla può garantire che il progetto da 20 miliardi di euro finisca per produrre qualche risultato concreto. Si tratta insomma di un atto di fede, e non è detto che tutti i possibili finanziatori saranno disposti a farlo.

Fonte : Wired