Se i fisici delle particelle ottengono ciò che vogliono, un giorno i nuovi acceleratori potrebbero esaminare la particella subatomica più curiosa della fisica, il bosone di Higgs. Sei anni dopo la scoperta di questa particella al Large Hadron Collider, i fisici stanno progettando enormi nuove macchine che si estenderanno per decine di chilometri in Europa, Giappone o Cina.
Nuovi collisori: cosa saranno
La scoperta di questa particella subatomica, che rivela l'origine della massa, ha portato al completamento del Modello Standard, la teoria generale della fisica delle particelle. Ed è diventato anche un traguardo per l'LHC, attualmente il più grande acceleratore del mondo - dopotutto, è stato costruito per cercare il bosone di Higgs, ma non solo.
Ora i fisici vogliono approfondire i misteri del bosone di Higgs nella speranza che sia la chiave per risolvere i problemi di lunga data della fisica delle particelle. "L'Higgs è una particella speciale", afferma il fisico Yifang Wang, direttore dell'Istituto di fisica delle alte energie a Pechino. "Crediamo che Higgs sia una finestra sul futuro".
Il Large Hadron Collider, noto anche come LHC, costituito da un anello lungo 27 chilometri, all'interno del quale i protoni accelerano quasi alla velocità della luce e si scontrano miliardi di volte al secondo, ha quasi raggiunto il suo limite. Ha fatto un ottimo lavoro nel trovare gli Higgs, ma non è adatto per ricerche dettagliate.
Pertanto, i fisici delle particelle chiedono un nuovo collisore di particelle appositamente progettato per lanciare pile di bosoni di Higgs. Sono stati proposti diversi progetti per queste nuove potenti macchine e gli scienziati sperano che queste fabbriche di Higgs possano aiutare a trovare soluzioni alle evidenti debolezze del Modello Standard.
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"Il modello standard non è una teoria completa dell'universo", afferma la fisica sperimentale delle particelle Galina Abramovich dell'Università di Tel Aviv. Ad esempio, questa teoria non spiega la materia oscura, una sostanza non identificata la cui massa è necessaria per tenere conto di osservazioni cosmiche come il movimento delle stelle nelle galassie. Inoltre non riesce a spiegare perché l'universo sia fatto di materia, mentre l'antimateria è estremamente rara.
I sostenitori dei nuovi collisori sostengono che uno studio accurato del bosone di Higgs potrebbe indicare agli scienziati la strada per risolvere questi misteri. Ma tra gli scienziati, il desiderio di nuovi costosi acceleratori non è supportato da tutti. Inoltre, non è chiaro cosa si possa trovare esattamente di tali macchine.
Avanti in linea
Il primo in linea è l'International Linear Collider nel nord del Giappone. A differenza dell'LHC, in cui le particelle si muovono in un anello, l'MLC accelera due fasci di particelle in linea retta, direttamente uno sopra l'altro, per tutta la sua lunghezza di 20 chilometri. E invece di spingere insieme i protoni, spinge gli elettroni e i loro partner di antimateria, i positoni.
Tuttavia, nel dicembre 2018, un comitato interdisciplinare del Japan Scientific Council si è opposto al progetto, esortando il governo a stare attento con il suo sostegno e chiedendosi se i progressi scientifici attesi giustificassero il costo del collisore, che attualmente è stimato a $ 5 miliardi.
I fautori sostengono che il piano di MLK per far collidere elettroni e positroni, piuttosto che protoni, ha diversi vantaggi importanti. Elettroni e positoni sono particelle elementari, cioè non hanno componenti più piccoli ei protoni sono composti da particelle più piccole: i quark. Ciò significa che le collisioni di protoni saranno più caotiche e creeranno più detriti di particelle inutili che dovranno essere setacciati.
Inoltre, nelle collisioni di protoni, solo una parte dell'energia di ciascun protone cade effettivamente nella collisione, mentre nei collisori elettrone-positrone, le particelle trasferiscono l'energia totale nella collisione. Ciò significa che gli scienziati possono regolare l'energia di collisione per massimizzare il numero di bosoni di Higgs prodotti. Allo stesso tempo, l'MLK richiederebbe solo 250 miliardi di elettronvolt per produrre bosoni di Higgs, rispetto ai 13 trilioni di elettronvolt dell'LHC.
All'MLK, "la qualità dei dati sarà molto migliore", afferma il fisico delle particelle Lyn Evans del CERN di Ginevra. Una collisione su 100 all'MLK produrrà il bosone di Higgs, mentre all'LHC ciò avviene una volta ogni 10 miliardi di collisioni.
Il governo giapponese dovrebbe prendere una decisione sul collisore a marzo. Evans dice che se l'MLK sarà approvato, ci vorranno circa 12 anni per costruirlo. Successivamente, l'acceleratore può anche essere aggiornato per aumentare l'energia che può raggiungere.
Il CERN ha in programma di costruire una macchina simile, il Compact Linear Collider (CLIC). Si scontrerà anche con elettroni e positroni, ma a energie più elevate rispetto all'MLK. La sua energia inizierà a 380 miliardi di elettronvolt e salirà a 3 trilioni di elettronvv in una serie di aggiornamenti. Per raggiungere queste energie superiori, è necessario sviluppare una nuova tecnologia di accelerazione delle particelle, il che significa che CLIC non apparirà prima dell'MLK, afferma Evans, che sta guidando la collaborazione di ricerca su entrambi i progetti.
Correndo in cerchio
Gli altri due collisori previsti, in Cina e in Europa, saranno rotondi come l'LHC, ma molto più grandi: ciascuno di 100 chilometri di circonferenza. Questo è un cerchio abbastanza grande da circondare due volte il paese del Liechtenstein. Questa è praticamente la lunghezza della tangenziale di Mosca.
Il collisore circolare elettrone-positrone, il cui cantiere non è ancora stato determinato in Cina, entrerà in collisione con 240 miliardi di elettroni e positroni elettronvolt, secondo un piano concettuale presentato ufficialmente a novembre e sponsorizzato da Wang e dall'Istituto di fisica delle alte energie. Questo acceleratore potrebbe successivamente essere aggiornato per entrare in collisione con protoni ad alta energia. Gli scienziati affermano che potrebbero iniziare a costruire questa macchina da 5-6 miliardi di dollari entro il 2022 e completarla entro il 2030.
E al CERN anche il proposto Future Circular Collider, BKK, entrerà in funzione in più fasi, entrando in collisione tra elettroni e positroni e successivamente protoni. L'obiettivo finale sarà quello di ottenere collisioni di protoni a 100 trilioni di elettronvolt, più di sette volte l'energia dell'LHC.
Nel frattempo, gli scienziati hanno spento l'LHC per due anni, aggiornando la macchina per funzionare con un'energia più elevata. Nel 2026 inizierà a funzionare l'LHC ad alta luminosità, il che aumenterà la frequenza delle collisioni protoniche di almeno cinque volte.
Ritratto di Higgs
Quando l'LHC è stato costruito, gli scienziati erano abbastanza fiduciosi da trovare il bosone di Higgs con esso. Ma con le nuove macchine, non è chiaro quali nuove particelle cercare. Si limiteranno a catalogare la forza con cui Higgs interagisce con altre particelle conosciute.
Le misurazioni delle interazioni di Higgs possono confermare le aspettative del Modello Standard. Ma se le osservazioni differiscono dalle aspettative, la discrepanza può indicare indirettamente la presenza di qualcosa di nuovo, come le particelle che compongono la materia oscura.
Alcuni scienziati sperano che accada qualcosa di inaspettato. Perché il bosone di Higgs stesso è un mistero: queste particelle si condensano in un liquido simile alla melassa. Perché? Non ne abbiamo idea, afferma il teorico delle particelle Michael Peskin della Stanford University. Questo fluido permea l'universo, rallentando le particelle e dando loro peso.
Un altro mistero è che la massa di Higgs è un milione di miliardi in meno del previsto. Questa stranezza può indicare che ci sono altre particelle. Gli scienziati in precedenza pensavano di poter rispondere al problema di Higgs con l'aiuto della teoria della supersimmetria, una consonante della quale ogni particella ha un partner più pesante. Ma questo non è accaduto, perché l'LHC non ha trovato tracce di particelle supersimmetriche.
I futuri collisori potrebbero ancora trovare prove di supersimmetria o suggerire in altro modo nuove particelle, ma questa volta gli scienziati non faranno promesse. Ora sono più impegnati nello sviluppo di priorità e nel fare argomenti a favore di nuovi collisori e altri esperimenti di fisica delle particelle. Una cosa è certa: gli acceleratori proposti esploreranno territori sconosciuti con risultati imprevedibili.
Ilya Khel
