Il nuovo progetto del CERN è quello di costruire un meccanismo che sarà quasi quattro volte più grande del dispositivo più grande esistente. Ma a cosa serve esattamente?
Il Large Hadron Collider (LHC) è probabilmente uno dei dispositivi più misteriosi al mondo. Si trova in un tunnel circolare lungo 27 chilometri al confine tra Francia e Svizzera e il suo compito principale è quello di far scontrare le particelle più piccole dell'universo.
Questo meccanismo è diventato famoso in tutto il mondo nel 2012, quando il CERN (Organizzazione europea per la ricerca nucleare) ha annunciato la scoperta del bosone di Higgs. La teoria dell'esistenza di questa particella elementare è apparsa molti decenni fa, i calcoli matematici alla base del modello standard delle particelle elementari presumevano che esistesse, ma nessuno poteva aggiustarla prima dell'esperimento all'LHC.
E ora il CERN sta parlando di progetti per il futuro. Dal 2009 sono stati condotti esperimenti con l'aiuto dell'LHC con interruzioni per aggiornare il meccanismo. Ora, solo una pausa del genere, e l'LHC verrà lanciato di nuovo nel 2021, dopodiché funzionerà per molti altri decenni.
Ma i progetti esistenti sono così ambiziosi che il CERN ha discusso una proposta per costruire un successore dell'LHC per diversi anni. E ora i dipendenti dell'organizzazione sono pronti a raccontare la loro visione del futuro.
Ora chiamato Future Circular Collider (FCC), i piani per la sua costruzione sono stati annunciati a gennaio 2019. Il BCC è molto più grande e più potente dell'attuale acceleratore. Anche se questo è solo un piano, non è stato ancora accettato. Se il piano viene implementato, gli esperimenti presso la BCC inizieranno negli anni 2040.
Secondo il CERN, il costo totale di costruzione ammonterà a poco più di 200 miliardi di corone (oltre 1.5 trilioni di rubli - approssimativamente trad.). I paesi membri dell'organizzazione finanzieranno il progetto per diversi decenni. La Norvegia è uno dei 22 paesi membri del CERN e contribuirà con circa 240 milioni di corone (oltre 1,8 miliardi di rubli) nel 2019.
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Ma perché abbiamo bisogno di un nuovo acceleratore di particelle, cosa sperano di ottenere gli scienziati con esso?
Tunnel lungo-lungo
L'LHC viene posato nello stesso tunnel del precedente acceleratore di particelle, lì è stato posizionato solo un nuovo riempimento. Il lavoro del dispositivo precedente è stato ridotto nel 2000.
Ma per la BCC verrà costruito un tunnel completamente nuovo lungo 100 chilometri. A causa della maggiore lunghezza dell'acceleratore di particelle, le particelle entreranno in collisione con molta più forza.
"Per cento anni, la collisione di piccoli pezzi di materia con grande forza è stata forse il metodo sperimentale più importante per studiare la struttura e la composizione della materia", dice Anders Kvellestad, fisico delle particelle all'Imperial College di Londra.
Il piano del CERN prevede infatti la realizzazione di più apparati nello stesso tunnel, che verranno collocati uno dopo l'altro. Il primo meccanismo farà entrare in collisione elettroni e positroni e può essere utilizzato per misurazioni e studi più accurati, ad esempio il bosone di Higgs, di cui si sa ben lontano da tutto.
Sarà anche possibile rilevare tracce quantistiche di particelle sconosciute completamente nuove senza effettuare osservazioni dirette.
Nuova fisica?
Oltre ad altri esperimenti che coinvolgono le collisioni di elettroni e nuclei di atomi di piombo, si prevede di costruire in seguito un meccanismo molto potente mediante il quale i protoni entreranno in collisione con i protoni nel tunnel.
“Nella fisica delle particelle, la collisione di un protone con un protone assomiglia a un martello da fabbro, mentre la collisione di un elettrone con un positrone può essere paragonata a un piccolo martello geologico. Il primo dà più potenza, mentre il secondo è più preciso.
La potenza del fascio di particelle stesso viene misurata in teraelettronvolt (TeV). L'LHC, lungo 27 chilometri, può sopportare 14 TeV, mentre il nuovo acceleratore resisterà a potenze fino a 100 TeV.
Energie più elevate consentono di “attirare” particelle più massicce che potrebbero non essere state osservate prima, ed è possibile che i risultati di tali esperimenti diano un'idea di fisica completamente nuova, spiega Kvellestad.
Perché l'universo è ancora pieno di cose che gli scienziati non capiscono. Ad esempio, non c'è risposta alla domanda su cosa siano veramente l'energia oscura e la materia oscura, sebbene siano concetti centrali nella nostra attuale comprensione dell'universo.
C'è anche un grosso problema nella fisica moderna. La relatività generale e la teoria quantistica dei campi, che descrive le particelle elementari, non coincidono. Al momento non esiste una spiegazione per la gravità stessa, che si adatta a entrambi i modelli.
Indipendentemente da come lo guardi, manca qualcosa nella comprensione dell'universo. Vengono offerte molte spiegazioni, ma i ricercatori hanno bisogno di prove.
E i fisici speravano che l'attuale acceleratore di particelle dell'LHC avrebbe fornito un suggerimento sulla nuova fisica. Questo non è ancora successo, ma l'LHC funzionerà ancora per molti anni.
“Ora sappiamo tutto su alcune discrepanze piccole ma interessanti tra teoria e pratica nei dati esistenti. Pertanto, mi aspetto che i risultati del prossimo ciclo di lavoro dell'LHC ci mostrino se queste discrepanze sono dovute alla "nuova fisica" o sono solo variazioni statistiche ", afferma Kvellestad.
Ma ci sono anche alcuni dubbi sui piani per costruire nuovi acceleratori di particelle.
Farà davvero qualcosa?
La fisica tedesca Sabine Hossenfelder è una delle critiche alla proposta MCC. Ha scritto un libro su come la fisica sia troppo interessata alla "bellezza" delle equazioni.
In una colonna del New York Times, critica il progetto, in particolare, per il fatto che il CERN lo propone con le stesse promesse fatte prima della costruzione dell'LHC: trovare la materia oscura e chiarire l'origine dell'universo.
Il problema è che un tale risultato non può essere garantito in alcun modo, afferma Hossenfelder. I fisici erano quasi certi che avrebbero trovato il bosone di Higgs con l'aiuto dell'LHC, ma ora non hanno obiettivi così promettenti.
La supersimmetria è una teoria che prevedeva l'esistenza di diverse particelle diverse che potrebbero colmare le lacune nel modello standard, ma queste particelle non sono state ancora affrontate negli esperimenti.
Hossenfelder sostiene che la fisica dovrebbe esplorare altre possibilità per ora, ed è meglio aspettare con la costruzione di un grande acceleratore, concentrandosi sulla questione del perché le presunte particelle non sono apparse nell'LHC.
Se sei interessato, puoi leggere di più sulle critiche al progetto sul suo blog. Dice anche che se, con l'aiuto dell'LHC, nei prossimi anni, sarà davvero possibile trovare qualcosa, il quadro potrebbe cambiare.
Ricerca di base
“Dopo la scoperta del bosone di Higss, non abbiamo più alcuna 'garanzia' teorica che troveremo nuove particelle negli esperimenti della prossima generazione, - dice Anders Kvellestad. - Ma in realtà significa solo che la fisica delle particelle è tornata abbastanza normale per fondamentale stato della ricerca - quando nessuno sa cosa potrebbe essere rivelato nel prossimo esperimento.
"Ci sono diversi esempi di scoperte nella storia della fisica che nessuno aveva previsto".
Kvellestad crede che anche se i fisici non sono d'accordo su cosa aspettarsi da questi esperimenti, questo non dovrebbe essere un argomento contro lo svolgimento di nuovi grandi esperimenti.
Grazie ai nuovi acceleratori di particelle, gli scienziati saranno in grado di indagare e misurare meglio le particelle già note, ha detto Kvellestad.
Hai bisogno di costruire un meccanismo più grande, ma non ora?
"Non c'è dubbio che il futuro percorso della ricerca sulla fisica delle particelle passa attraverso un meccanismo più ampio", afferma Bjørn Samset, ricercatore presso il Cicero Center for International Environmental and Climate Research. È un fisico delle particelle elementari di formazione e ha lavorato al CERN.
"L'unica domanda è se è il momento di costruirlo o se è meglio concentrarsi su altre cose per ora".
Crede inoltre che la fisica trarrebbe probabilmente maggiori benefici se altri progetti venissero prima valutati in modo più dettagliato, il che potrebbe aiutare a capire meglio cosa potrebbe trovare esattamente il nuovo dispositivo.
Samset cita la materia oscura come esempio.
"Molti speravano che l'LHC avesse abbastanza energia per creare le particelle di cui potrebbe essere composta la materia oscura".
Molte teorie sono state avanzate e alcune sono state confutate, ma molte devono ancora essere verificate. La domanda è se potrebbe non essere meglio concentrarsi su altri metodi, come sensori speciali, con i quali è possibile catturare direttamente la materia oscura.
Se la BCC viene costruita, ciò non accadrà presto, ma Samset sottolinea che è molto importante discutere in anticipo tali progetti.
“Il pericolo dell'attesa è la perdita di esperienza. I tecnici del CERN sono veri maghi, fanno fare all'acceleratore cose incredibili. Se non iniziamo a pianificare il prossimo progetto ora, gran parte di questa esperienza potrebbe andare persa.
Allo stesso tempo, ritiene che l'esperienza possa essere trasferita nell'ambito di altri progetti. Ma è fiducioso che saranno ancora costruiti enormi acceleratori.
"Un tale meccanismo dovrebbe essere costruito, e sarà costruito, ma forse è ancora troppo presto?"
Lasse Biørnstad
