Quando nel 2012 il Cern diede l’annuncio della scoperta del bosone di Higgs, i giapponesi si fecero promotori di un progetto per un LHC (Large Hadron Collider) più grande e potente dell'attuale, per spingere la ricerca oltre gli attuali confini. A distanza di 4 anni, gli scienziati giapponesi sono più cauti: oggi affermano che un eventuale, nuovo acceleratore del tipo dell'LHC dipende sia dalla capacità dell’attuale LHC di scoprire nuove particelle che non rientrano nel Modello Standard della fisica delle particelle (cosa che non è ancora avvenuta) sia dagli sviluppi del progetto cinese per un nuovo acceleratore, più potente dell'LHC.
Il progetto giapponese, chiamato ILC (International Linear Collider) prevede di far scontrare elettroni e positroni lungo un pista di 31 chilometri di lunghezza, a fronte del circuito circolare di 27 chilometri dell'LHC, dove si scontrano protoni.
Qual è il migliore? A parte la lunghezza, la differenza profonda sta nelle particelle che si scontrano e nelle conseguenze delle collisioni. Gli scontri tra protoni (LHC) creano un gran numero di particelle spurie, perché i protoni sono composti da quark; con il progetto ILC le particelle in gioco sono invece quelle fondamentali, ossia non composte da altre particelle, e dunque i risultati sarebbero più “puliti” e più semplici da interpretare.
Recentemente il Ministero della ricerca giapponese ha fatto sapere che ogni decisione verrà spostata al 2018, dopo che l’LHC avrà raggiunto la sua massima potenza e ottenuto (si spera) i risultati più attesi. Se l’LHC scoprirà nuove particelle, allora l’ILC potrebbe diventare realtà. Tuttavia, poiché i costi stimati sono attorno ai 10 miliardi di dollari, sarà necessario che il Giappone trovi numerosi partner economici e scientifici affinché il progetto possa realizzarsi.
La rincorsa della Cina. Anche un gruppo di ricercatori cinese, guidato dal Fisico Wang Yifang, direttore dell’Istituto di fisica delle alte energie a Pechino, nei mesi dopo la scoperta dell'Higgs, ipotizzò un collisore di particelle che potrebbe essere realizzato per il 2030.
Più simile all’LHC per forma e per particelle accelerate, avrebbe però una circonferenza compresa tra i 50 e i 100 km, così da sviluppare energie almeno 7 volte superiori a quelle dell’LHC. Anche il progetto cinese dipenderebbe molto da contributi scientifici e (soprattutto) economici internazionali. Contributi che, se questo fosse il progetto principe, verrebbero sottratti al progetto giapponese.
L’idea del Cern. Anche al Cern si pensa al futuro e, stando a Fabiola Gianotti, attuale direttore del centro, si potrebbe aumentare la potenza dell’attuale l’LHC con un costo di “soli” 5 miliardi di dollari.
L’investimento porterebbe però a una macchina con potenza comunque inferiore a quelle ipotizzate da giapponesi e cinesi, perciò l'ipotesi del potenziamento sembra avere molti sostenitori.
In tutto ciò gli Stati Uniti mantengono un distaccato silenzio: in realtà stanno lavorando con i neutrini, che potrebbero anch’essi portare a scoperte importanti per interpretare o reinterpretare il Modello Standard. Hanno insomma scelto una strada differente per la ricerca nel mondo sub-nucleare, ma sarebbero comunque partner economici e scientifici in uno dei progetti di super-collisori.
Il bosone di Higgs.
La caccia al bosone di Higgs non è ancora finita. L’esistenza del bosone - ultima tessera del grande mosaico del Modello Standard che spiega le particelle fondamentali e le forze che le legano - è stata provata sperimentalmente il 4 luglio 2012 proprio grazie agli esperimenti ATLAS e CMS condotti all’interno di Lhc.
Gli scienziati hanno però ancora molte domande sulle origini della materia: contano di trovare parte delle risposte nei nuovi scontri tra particelle che, all'interno dell’acceleratore, avverranno a livelli di energia ancora più alti rispetto a quelli del 2012. Più energia significa maggior probabilità di “produrre” bosoni di Higgs e di osservarne la brevissima esistenza.
Particelle esotiche. Alcune teorie prevedono l’esistenza di particelle esotiche del tutto nuove, impossibili da identificare e osservare perché incapaci di interagire con le forze elettromagnetiche.
Ma se queste particelle hanno una massa, devono in qualche modo interagire con le forze associate al bosone di Higgs, che diventa così il punto di contatto tra il Modello Standard e una nuova fisica tutta da scoprire.
La materia oscura. La materia oscura riempie ogni angolo dell’Universo: non la vediamo, ma possiamo misurarne gli effetti gravitazionali. Ma che cos’è? Una delle teorie è che sia composta da particelle supersimmetriche speculari rispetto a quelle previste dal Modello Standard.
I dati degli scontri ad alta energia che avverranno nei prossimi anni all'interno di Lhc permetteranno agli astrofisici di indagare più a fondo in questo mistero.
La Supersimmetria.
Il Modello Standard ha funzionato alla perfezione nel prevedere a livello teorico ciò che la fisica sperimentale ha potuto osservare sui blocchi che costituiscono la materia. Tuttavia, la teoria è ancora incompleta.
La Supersimmetria è un’estensione del Modello Standard che ha come obiettivo quello di colmare, almeno in parte, questo vuoto. Lo fa assumendo che per ogni particella del Modello Standard esiste una particella partner che definisce a priori la massa del bosone di Higgs. Se la teoria della Supersimmetria è corretta, gli scontri ad altissima energia che avverranno all'interno del “nuovo” Lhc dovrebbero far comparire queste particelle supersimmetriche.
Nuove dimensioni.
Una delle domande alle quali gli scienziati faticano a trovare risposta è “Perchè la gravità è così tanto debole rispetto alle altre forze fondamentali?”. Una delle ipotesi è che i suoi effetti si perdano, almeno in parte, in un’altra dimensione.
Fantascienza? Mica tanto: i ricercatori del CERN sono determinati a verificare sperimentalmente l’esistenza di questa nuova dimensione ricercando negli scontri all'interno dei 4 rilevatori di Lhc particelle analoghe a quelle del Modello Standard ma più pesanti.
Antimateria. Per ogni particella di materia esiste una corrispondente antiparticella che ha esattamente le stesse proprietà ma carica opposta. Per esempio esiste l’antielettrone, o positrone, che ha le stesse caratteristiche dell’elettrone ma carica positiva.
Quando queste due particelle entrano in contatto, si annichiliscono in un lampo di energia.
Secondo la teoria, il Big Bang ha creato una quantità uguale di materia e antimateria. Dove è finita quest’ultima?
I nuovi scontri ad altissima energia che avverranno all’interno dell’ LHC consentiranno agli astrofisici di produrre nuova antimateria per il loro programma di ricerca: l’obiettivo è quello di studiarne le proprietà per verificare se e quanto differiscono rispetto a quelle della materia.
Il plasma quark - gluoni.
Nei primissimi milionesimi di secondo dopo il Big Bang l’Universo era formato da un brodo densissimo di particelle elementari - quark e gluoni - che si muovevano alla velocità della luce, uniti tra loro da legami deboli che si rompevano e si riformavano in continuazione.
Le collisioni ad alta energia che verranno generate all’interno dell’ LHC permetteranno di ricreare qualcosa di molto simile a questo plasma di quark e gluoni così da dar modo agli astrofisici di osservare da vicino cosa è successo nei primissimi attimi di vita dell’ Universo.
Sarà in particolare l'esperimento ATLAS (e il suo mastodontico rilevatore da 46 metri di lunghezza, 25 metri di diametro e dal peso di circa 7 000 tonnellate, ritratto in questa foto).
Per saperne di più.
A questo punto siete pronti per alcuni ulteriori passi. Nell’ordine:
1. Fare il test per capire quante ne sai di Lhc e della fisica delle particelle.
2. Andare per un giorno al Cern e all’Lhc (ma solo virtualmente).
3. Scoprire a fondo che cosa è stato fatto nei due anni di stop.
4. Leggere che cosa prevedono gli scienziati del Cern.
Foto: © CRN
