Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN è il più potente acceleratore di particelle al mondo. Durante i suoi dieci anni di attività ha portato a scoperte notevoli, compreso il tanto ricercato bosone di Higgs. Il 15 gennaio un team internazionale di fisici ha svelato il concept design di un nuovo acceleratore di particelle che farebbe impallidire l'LHC.

Il "Future Circular Collider" è concepito come successore dell'LHC, e, se dato il via libera, consentirebbe ai fisici di cercare risposte ad alcuni dei più grandi misteri della fisica. Ciò include scoprire di cosa è effettivamente fatta la stragrande maggioranza dell'universo o scoprire una fisica completamente nuova.

La proposta prevede un nuovo tunnel di circonferenza di 100 km che verrebbe scavato attraverso la Terra, che circonda la città di Ginevra e la campagna circostante. L'LHC da 27 km alimenterebbe le particelle nel nuovo collisore, come uno scalo di alaggio autostradale. Ciò alla fine gli consentirebbe di far collidere particelle con energie circa sette volte superiori a quelle che LHC può gestire. Ciò consentirebbe a questo collisore di creare particelle che sono oltre la portata dell'LHC, spingendo la fisica delle particelle in profondità in un regno microscopico inesplorato.

Portale per un mondo oscuro

Il Future Circular Collider è davvero diversi progetti in uno. La prima fase immagina una macchina che fa scontrare gli elettroni con le loro cosiddette "versioni di antimateria, " positroni. Si pensa che tutte le particelle abbiano un compagno di antimateria, praticamente identico a se stesso ma con carica opposta. Quando una materia e una particella di antimateria si incontrano, si annientano completamente a vicenda, con tutta la loro energia convertita in nuove particelle.

L'energia di collisione di un tale collisore potrebbe essere controllata in modo molto preciso. Anche, le collisioni sarebbero molto "pulite" rispetto all'LHC, che si scontra con i protoni (particelle che compongono il nucleo atomico insieme ai neutroni). I protoni non sono particelle fondamentali come gli elettroni, ma sacchi casuali di particelle più piccole inclusi quark e gluoni. Quando i protoni si scontrano, le loro interiora vengono spruzzate dappertutto, rendendo molto più difficile individuare nuove particelle tra i detriti.

L'obiettivo principale del collisore elettrone-positrone sarebbe quello di studiare il bosone di Higgs, la particella implicata nell'origine delle masse delle altre particelle fondamentali. Il nuovo collisore creerebbe milioni di bosoni di Higgs e misurerebbe le loro proprietà con dettagli senza precedenti.

Tali misurazioni di precisione offrono numerose possibilità per nuove scoperte. Uno dei più allettanti è che l'Higgs potrebbe fungere da portale che collega il mondo della normale materia atomica in cui abitiamo, con un mondo nascosto di particelle altrimenti non rilevabili. Circa l'85% di tutta la materia dell'universo nell'universo è "oscura, " costituito da particelle che non siamo mai stati in grado di vedere. Sappiamo solo che esiste a causa dell'attrazione gravitazionale che esercita sulla materia circostante. un collisore elettrone-positrone potrebbe rivelare il decadimento del bosone di Higgs in queste particelle nascoste.

Nella seconda fase, il collisore verrebbe sostituito da un collisore protone-protone molto più potente, raggiungendo energie di collisione di 100 trilioni di elettronvolt. Questa sarebbe una macchina per la scoperta, in grado di creare una vasta gamma di nuove particelle che i fisici sospettano possano trovarsi al di fuori della portata dell'LHC.

In particolare, esplorerebbe quasi completamente la gamma di energia in cui è probabile che si trovino la maggior parte delle forme di materia oscura. Sarebbe anche in grado di sondare le condizioni che esistevano un trilionesimo di secondo dopo il Big Bang. Questo momento nella storia dell'universo è cruciale in quanto è stato quando il campo di Higgs - un campo energetico onnipervadente in cui il bosone di Higgs è una piccola increspatura - è crollato nel suo stato attuale, che è ciò che ha generato le masse delle particelle fondamentali.

Capire come il campo di Higgs ha acquisito la sua attuale energia è uno dei più grandi problemi in sospeso in fisica, poiché sembra essere incredibilmente finemente sintonizzato per consentire agli atomi - e quindi alle stelle, pianeti e persone – per esistere.

Come fisico che lavora all'esperimento di bellezza LHC, Personalmente spero che questo nuovo collisore possa anche aiutarci a risolvere l'enigma del perché l'universo è fatto quasi interamente di materia e non di antimateria.

Prezzo elevato

La prima fase del nuovo collisore entrerà in funzione negli anni 2040, dopo la corsa finale dell'LHC aggiornato. Il più potente collisore protone-protone sarebbe stato installato nel 2050. Entrambi i progetti hanno un prezzo elevato:9 miliardi di euro per la macchina elettrone-positrone e altri 15 miliardi di euro per il collisore protone-protone. Ciò ha sollevato critiche comprensibili sul fatto che i soldi potrebbero essere spesi meglio altrove, per esempio nell'affrontare il cambiamento climatico.

John Womersley, un fisico anziano coinvolto nel Future Circle Collider, mi ha detto che al di là del valore della conoscenza fondamentale a sé stante, ci saranno altri vantaggi significativi a breve termine. Ha detto:"La FCC spingerà lo sviluppo di tecnologie innovative per risolvere nuove sfide. Il World Wide Web, Il Wi-Fi e i magneti superconduttori nelle macchine per la risonanza magnetica sono stati tutti sviluppati per soddisfare le esigenze della fisica fondamentale." Il progetto ha anche un enorme potere di ispirare la prossima generazione di fisici.

In definitiva, un progetto così ambizioso sarà possibile solo attraverso una vasta collaborazione internazionale, con finanziamenti da decine di paesi. Il progetto prevede già 1, 300 contributori da 150 università, istituti di ricerca e partner industriali in tutto il mondo. Nel frattempo, un simile progetto di collisore è allo studio anche dalla Cina, forse l'unico Paese in grado di mobilitare da solo le risorse necessarie per costruire una macchina così vasta.

I sostenitori del Future Circular Collider sperano che il progetto venga adottato nella nuova strategia europea per la fisica delle particelle, da pubblicare nel 2020. Se accettato, inizierà un lungo processo di ricerca e sviluppo, ma anche di persuadere i governi nazionali e il pubblico in generale che vale la pena investire nell'entusiasmante ricerca fondamentale che potrebbe essere eseguita al collisore.

Le sfide politiche sono senza dubbio enormi, ma i fisici sono determinati a non rinunciare alla ricerca di una comprensione più profonda del nostro universo.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.