“Facciamo ora l’ipotesi (forse ardita) che l’attuale descrizione del mondo delle particelle sia valida non solo nel regime in cui è stata verificata sperimentalmente, ma anche a distanze molto più piccole. In questo caso si scoprirebbe un risultato sbalorditivo. La massa dell’Higgs identificata dall’LHC corrisponde esattamente al valore che regge il nostro universo in bilico, prima di una seconda transizione di fase che porrebbe fine al nostro amato mondo”, Gian Francesco Giudice, fisico italiano.

La fisica nucleare, da sempre imbattuta in questioni di fondamentale importanza, ha permesso di sviluppare delle tecnologie uniche. Gli acceleratori di particelle sono macchine che hanno come scopo quello di produrre fasci di ioni o particelle subatomiche, tra le quali elettroni, positroni, protoni, e antiprotoni, con elevata energia cinetica.

Il Large Hidron Collider al CERN. Credits: www.nytimes.com

Il Large Hadron Collider (LHC) è l’acceleratore di particelle più potente mai costruito. Si tratta di un acceleratore di tipo circolare che può accelerare adroni (protoni e ioni pesanti) fino al 99,9999991% della velocità della luce e farli successivamente scontrare. Questo scontro avviene con un’energia che a maggio 2015, dopo due anni di pausa tecnica, ha raggiunto, nel centro di massa, i 13 teraelettronvolt, molto vicina al limite teorico della macchina di 14 TeV.

Future Circular Collider: Il CERN oltre l’LHC

Immaginate un acceleratore di particelle così grande, da rendere l’LHC completamente obsoleto. È questo il progetto, ancora su carta, che vedrebbe la costruzione del Future Circular Collider (FCC), erede dell’LHC.

Se portato a termine, l’FCC diventerebbe l’acceleratore più potente mai costruito e batterebbe ogni record: un tunnel scavato a 300 metri sotto terra con un diametro pari a 100 Km (quasi 4 volte il diametro dell’LHC) a cavallo tra la Francia e la Svizzera, in grado di produrre collisioni fino a 100 TeV di energia.

Rappresentazione schematica del luogo in cui dovrebbe essere scavato il tunnel del Future Circular Collider. Crediti: Cern

Lo studio FCC esamina scenari per tre diversi tipi di collisioni di particelle: collisioni adroniche (protone-protone e ioni pesanti), come nel LHC; collisioni elettrone-positrone, come nell’ex LEP; e collisioni elettrone-protone.

Secondo quanto dichiaro da Antonio Zoccoli, fisico delle particelle e membro della giunta esecutiva dell’Infn, a Inaf, l’idea sarebbe quella di costruire il tunnel e sfruttarlo inizialmente per costruire un collisionatore leptonico, quindi elettrone-positrone. E solo successivamente usare lo stesso tunnel per installare un collisionatore andronico.

Per la trasformazione da collisionatore leptonico ad adronico abbiamo delle sfide tecnologiche non indifferenti:

“La tecnologia attuale non ci permette di costruire magneti con un campo magnetico sufficientemente intenso per curvare i protoni e farli lavorare al 100 TeV dentro a questa circonferenza. Si tratta di costruire dei magneti da 16 tesla, che attualmente non ci sono. Dunque bisogna sviluppare tutta la tecnologia necessaria per costruirli. Ci sono due strade: una è quella di continuare a usare la tecnologia dei cavi superconduttori che sono stati sviluppati fino ad oggi, l’altra – un po’ più ambiziosa, ma secondo me forse più utile anche alla società – è quella di usare dei superconduttori ad alta temperatura.”

Un progetto ambizioso

Lo studio FCC, ospitato dal CERN, è una collaborazione internazionale di oltre 150 università, istituti di ricerca e partner industriali di tutto il mondo.

Lo studio approfondirà le diverse possibilità di collisori circolari, le nuove strutture di rivelatori, l’infrastruttura associata, le stime dei costi, gli scenari di implementazione globale e le appropriate strutture di governance internazionale.

Nel gennaio 2019 è stato presentato un rapporto di progettazione concettuale per l’FCC, come contributo al prossimo aggiornamento della Strategia Europea per la Fisica delle Particelle. Forse tra il 2035 e il 2040, potremo finalmente vedere in azione il gigantesco anello che costituirà l’FCC.

Il CERN e le sfide del futuro

Qual è l’origine delle masse delle particelle? Perché alcune non hanno massa, come il fotone, e altre invece sono molto più pesante, come il bossone W, responsabile del decadimento radioattivo? Con la scoperta del Bossone di Higgs, questa domanda ha trovato risposta. Ma perché è così importante questa domanda? Se le particelle non avessero massa, per esse sarebbe impossibile unirsi per formare la materia come la conosciamo.

Una delle prime collisioni che hanno inaugurato la stagione di attività, nel 2015, dell’acceleratore Lhc del Cern (fonte: LHCb/CERN)

L’LHC è stato costruito per risolvere altre questioni importanti. Ad esempio: quando guardiamo il cielo stellato, quello che vediamo è soltanto il 4% del contenuto di materia ed energia dell’universo, il resto, circa il 96% è oscuro, cioè, fatto di una forma di energia e di materia che noi non conosciamo. La chiamiamo “oscura” perché queste forme di energia e materia non interagiscono con i nostri strumenti.

Le ricerche portate avanti dall’LHC, e che magari troveranno risposta nell’FCC, potrebbero finalmente rivelarci perché esiste più materia che antimateria, oppure se esistono altre forze oltre alle 4 che conosciamo. Solo il tempo, e la tenacia degli scienziati, potranno fornirci le risposte, che da sempre, l’essere umano sta cercando.

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