Qualche tempo fa avevamo parlato del progetto per il nuovo acceleratore di particelle cinese (ve lo ricordate?). Bene, il 15 Gennaio è stato pubblicato il Conceptual Design Report del suo contendente europeo: il Future Circular Collider. Parliamone.

Cos’è un acceleratore di particelle e cosa diamine me ne faccio?

È un oggetto qualsiasi in cui noi poveri fisici inseriamo particelle (di solito elettroni o protoni) che facciamo correre sempre più veloci, fino a velocità prossime a quella della luce. E poi? Organizziamo gare clandestine per vedere qual è la particella più veloce?

No, usiamo gli acceleratori per produrre fasci secondari di altre particelle, molto utilizzati in medicina (i raggi X con cui vi fanno una lastra sono prodotti da piccoli acceleratori) oppure per farle collidere. Per farle sbattere sonoramente tra loro. No. No. Non c’è nemmeno un giro di scommesse sulle lotte tra elettroni, manco fossero galli clandestini, li facciamo collidere per creare altre particelle. Potreste giustamente chiedervi cosa diamine stia dicendo, dirmi che sono un fisico e non un mago in grado di far apparire qualcosa dal nulla, e potrei anche darvi ragione se non ci fosse di mezzo la formula più famosa mai scritta, una di quelle che conosce anche il vostro gatto: E=mc²

L’energia è uguale alla massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato: le due grandezze sono equivalenti ed è possibile passare dall’una all’altra, con le tecniche giuste! Ora, se trasformare la massa in energia è relativamente semplice e succede ogni giorno nelle centrali nucleari, l’opposto non è altrettanto facile: mettiamo che voi vogliate farvi apparire davanti un piatto di pasta. Beh, se non avete molta fame, vi serviranno circa un milione di miliardi di Joule, l’energia che necessaria ad un aereo di linea per percorrere dieci volte la distanza Terra-Luna.

Quindi i collisori di particelle non sono altro che dei convertitori: facendo scontrare le particelle trasformano la loro energia in nuovi oggetti, ed il Large Hadron Collider (LHC per gli amici) ne è il re indiscusso al momento.

LH che?

LHC, acronimo di Large Hadron Collider, è un bestione di 27 km di circonferenza che accelera e fa scontrare protoni. Situato tra la Francia e la Svizzera, unisce la miglior tecnologia di 22 Paesi e viene gestito dal CERN, (che non ci nasconde nessuna tecnologia dei viaggi nel tempo basata sui microonde).

La storia di questo acceleratore è piena di alti e bassi. Dalla sua costruzione ha riscosso l’interesse del genere umano e non solo: mentre lo stavano costruendo, dei topi cominciarono a mangiare tutti i cavi, trovandone le guarnizioni particolarmente gustose. Il risultato? Ritardo nella costruzione e necessità di cablare di nuovo tutto quanto. E figurarsi se fosse stato l’unico problema di convivenza con la fauna locale, una volta un piccione rimase fritto in un trasformatore e nel 2016 una faina decise di provocare un grosso corto circuito. Ci è voluto un po’, ma alla fine si è raggiunta una convivenza pacifica, tanto che ad ora tra i giardinieri del CERN si contano numerose pecore che tengono a bada il prato vicino alla control room, oltre a qualche cerbiatto un poco più schivo.

L’attuale LHC ha da poco smesso di far collidere protoni a 13 TeV e si sta cominciando con il Long Shutdown 2, un periodo di manutenzione e upgrade sia per l’acceleratore che per i 4 rivelatori presenti al suo interno: CMS, ATLAS, Alice e LHCb. A questi strumenti di misura alti come palazzi di cinque piani si devono informazioni precisissime sui prodotti degli scontri tra protoni: dalle meno famose come quelle sui prodotti tZq o sul DPS, a quelle che hanno cambiato la storia della fisica. 

Risultati famosi e come trovarli

Come quella del Bosone di Higgs. Sicuramente l’avrete sentito nominare sotto il nome di  Particella di Dio (nome che ci piace poco), o come la particella che fornisce massa a tutte le altre. Sappiate che era l’unico tassello non osservato direttamente del Modello Standard, l’insieme delle teorie che usiamo per descrivere l’infinitamente piccolo.

Insomma, era il 5 Aprile 2012 e nella conferenza nell’auditorium del CERN una collaborazione congiunta dei due esperimenti ATLAS e CMS annunciava di aver trovato evidenze dell’Higgs con una massa di circa 125 GeV. Dopo i primi momenti di gioia e giubilio, festeggiamenti, abbracci e pianti, però, arrivò un poco di tristezza.

Dovete sapere che il Modello Standard ci piace molto: è bello, elegante, utilizza delle simmetrie semplici e fornisce delle predizioni di un’accuratezza sconcertante. Ha un problema non da poco, però: ci sono alcuni fenomeni a cui non riesce a fornire alcuna spiegazione, a partire dalla materia oscura (aka quella cosa che ci deve essere ma non abbiamo la più pallida idea di come sia fatta).

Quindi se da una parte il Modello Standard è a prova di bomba, basta girarlo per vedere che in realtà è il cappello sacro della religione pastafariana. E l’Higgs è l’ennesima predizione fin troppo buona del Modello Standard. A noi fisici sarebbe piaciuto avere qualcosa di nuovo con cui accapigliarci e stare le notti sulla scrivania a cercare di capire cosa avessimo sbagliato. E invece siamo fermi al punto di partenza.

Cosa fare, quindi? Abbiamo milioni di teorie per mettere insieme tutto, ma non riusciamo a trovare evidenze sperimentali a supporto di nessuna di esse, quindi probabilmente sono semplicemente ad energie che non possiamo raggiungere.

Il futuro: Future Circular Collider

Energie che non riusciamo a raggiungere, come possiamo fare? Con un acceleratore grosso più grosso: Future Circular Collider (FCC). Il Conceptual Design Report, un primo progetto, è uscito il 15 Gennaio e si parla di una macchina enorme che potrebbe entrare in funzione nel 2040. Per farvi un’idea delle dimensioni, se LHC fosse grande quanto un’area di rigore, FCC sarebbe grande quanto l’intero campo da calcio. Creare un oggetto di 100 km di circonferenza sarà una vera e propria sfida tecnologica: oltre ai problemi di natura geologica (tenere insieme un tunnel così grande non sarà facile), per dirne una, bisognerà utilizzare dei magneti due volte più potenti di quelli di LHC. Il nuovo acceleratore, dunque, utilizzerà il Large Hadron Collider come iniettore ed arriverà a far collidere sia protoni a 100 TeV che elettroni e positroni a 209 GeV.

Se l’obiettivo principale resta sempre quello di produrre particelle inaccessibili alle energie attuali, in modo da risolvere le grandi questioni aperte come l’abbondanza di materia rispetto all’antimateria, la massa dei neutrini, il problema della gerarchie e la natura della materia oscura, un grande risultato sarà anche la sua doppia natura: sia collisore p-p che e+e-. Insomma, da una parte abbiamo Batman che collide protoni, dall’altra Bruce Wayne che fa collidere elettroni e positroni ad energie mille volte più basse.

Perché?

Dovete sapere che i collisori con protoni si prestano a raggiungere energie molto alte e quindi nuove particelle: i protoni sono facili da accelerare, ma sono fatti di quark e gluoni che, collidendo, “sporcano” il segnale. Elettroni e positroni, invece, sono puntiformi e, facendoli collidere gli eventi risultano più “puliti”.

All’attuale nessuno sa se i 100 TeV di energia siano abbastanza per produrre nuove particelle non predette dal Modello Standard, potrebbe essere necessario arrivare molto più in alto e, secondo me, FCC si sta premunendo: nel caso non fosse possibile investigare direttamente nuova fisica sarebbe comunque in grado di fare misure di grande precisione.

Ed ora, mentre Fabiola Giannotti si mette d’accordo con Elon Musk per la costruzione del tunnel, non ci resta che aspettare l’uscita delle analisi sugli ultimi dati presi ad LHC, sperando che ci diano indicazioni su cosa dovremo cercare in futuro.