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Nemmeno il tempo di brindare per la scoperta del bosone di Higgs, la cosiddetta “particella di Dio”, annunciata lo scorso luglio, che i fisici delle particelle di tutto il mondo hanno iniziato a interrogarsi su come proseguire la ricerca delle frontiere estreme del mondo subatomico. LHC, il grande acceleratore di particelle del Cern di Ginevra inaugurato nel 2010, lavora ancora a metà regime, ed è già riuscito a portare a termine il primo grande compito, scoprire la particella sfuggita nei decenni scorsi al predecessore di LHC, il LEP, e al fratello minore made in Usa, il Tevatron. Dalla fine dell’anno prossimo si farà sul serio, con l’acceleratore ginevrino lanciato alla massima potenza. Ma c’è chi sostiene che per fare davvero luce sullo stato della materia nei primissimi istanti dopo il Big Bang ci sia bisogno di nuovi acceleratori. Più grandi, e inevitabilmente più costosi.

Cosa può fare ancora LHC

Si discuterà di questo a Cracovia, in Polonia, nel grande workshop internazionale che si aprirà lunedì 10 settembre, e dal titolo “European Strategy for Particle Physcs”: il compito dei fisici di tutta Europa riuniti nel consesso scientifico sarà quello di elaborare la strategia futura per il dopo-Higgs. Il bosone che spiega le masse di tutte le altre particelle dell’universo è la chiave di volta del cosiddetto “modello standard” della fisica, che spiega la composizione della materia fino ai quark, i componenti ultimi degli atomi, ma, come afferma il fisico americano Barry Barish su Nature, “sappiamo che c’è una nuova fisica oltre il modello standard”. Un territorio inesplorato che rappresenta ora l’ultima frontiera della scienza. LHC potrà fare qualcosa, ma forse non abbastanza.

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In particolare, l’acceleratore del Cern dovrebbe riuscire nei prossimi anni a determinare lo spin del bosone di Higgs, ossia il suo “senso di rotazione”. Secondo la teoria, il bosone non possiede spin, poiché le proprietà del campo di Higgs, all’interno del quale agiscono questi bosoni, è di tipo scalare, ossia indipendente dalla direzione. Le osservazioni dovranno dimostrare questo assunto. E anche qualcos’altro: LHC dovrà riuscire a spiegare come il bosone di Higgs interagisce con i fermioni, la famiglia di particelle che unisce i quark – i componenti del nucleo atomico – e gli elettroni, che orbitano intorno al nucleo. Sempre secondo la teoria, l’interazione tra fermioni e bosone di Higgs è proporzionale alla massa dei fermioni, poiché è proprio la “particella di Dio” a fornire la massa ai fermioni. Tutto questo, secondo il direttore del Cern, sarà determinato entro pochi anni. E poi?

I segreti della nuova fisica

Poi ci sono alcuni misteri rispetto ai quali il bosone di Higgs è poca roba. Bisogna capire se esistono le particelle previste dalla teoria della supersimmetria. Se venissero individuate, sarebbe una delle più grandi scoperte di sempre, capace di avvicinarci alla tanto auspicata “teoria del tutto”. Ma LHC potrebbe non farcela: le energie necessarie per individuare in laboratorio le particelle supersimmetriche potrebbero essere troppo alte persino per l’enorme acceleratore del Cern. L’idea presa finora in maggiore considerazione, quella di un collisore di leptoni, non sarebbe capace di dire nulla sulla supersimmetria. Un simile collisore, all’interno del quale elettroni e antielettroni (o positroni) si scontrano ad altissime energie, esisteva già: era il LEP, il precedente acceleratore del Cern. L’idea è di costruirne uno nuovo, il LEP3, nello stesso tunnel in cui corre LHC, risparmiando parecchi soldi. Costerebbe ‘appena’ 1-2 miliardi di euro, rispetto ai 6 richiesti per costruire LHC. Funziona a energie più basse, perché sfrutta principi fisici diversi, e produrrebbe il bosone di Higgs in modo più facile. Ma alla fin fine il bosone di Higgs non è tutto.

Un nuovo acceleratore lineare non può essere costruito né in Europa né dalla sola Europa

Fernando Ferroni
Per questo si sta prendendo in considerazione qualcosa di completamente diverso, ossia un acceleratore lineare. A differenza di quelli classici, un acceleratore lineare non è costruito ad anello, e quindi fa a meno della curvatura: un lunghissimo tunnel dritto, ai cui estremi vengono sparati elettroni e positroni, che si scontrano a metà strada. Al momento ci sono due progetti sul tappeto. L’International Linear Collider (ILC) è già in una fase avanzata di progettazione, da parte di un consorzio internazionale, per una lunghezza di 30 chilometri. Il Cern sponsorizza un altro progetto, quello del Compact Linear Collider (CLC), dalla lunghezza di 50 km. I costi sono alti – sei miliardi e mezzo di euro per ILC, qualcosa in più per il CLC – per cui, come chiarisce il presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Fernando Ferroni, “non può essere costruito né in Europa né dalla sola Europa”. L’idea è di fondere i due progetti in uno solo, e iniziare a lavorarci dalla fine del 2015.

L'America spegne i suoi acceleratori

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Se l’Europa non ospiterà l’acceleratore di particelle del futuro, nemmeno gli Stati Uniti lo faranno. Gli USA guardano con molto interesse alla possibilità di collaborare a esperimenti internazionali come quelli di LHC, ma il governo americano ha chiuso il capitolo della fisica delle alte energie da quando, l’anno scorso, il Tevatron è stato spento, facendo svanire le ultime speranze degli statunitensi di battere il Cern nella caccia al bosone di Higgs. Entro quest’anno o il successivo, il Dipartimento per l’energia e la National Science Foundation potrebbe spegnere anche i restanti tre acceleratori: il Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC), che per primo produsse il plasma di quark e gluoni che costituiva l’universo nei primi secondi successivi al Big Bang, insieme al Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia e il Facility for Rar Isotope Beams in Michigan. Migliaia di scienziati potranno presto restare senza lavoro.

Il presidente dell’INFN, Fernando Ferroni, pensa che si debba lavorare soprattutto per potenziare LHC. La macchina delle meraviglie del Cern è ben lungi dall’essere arrivata al capolinea. Quando raggiungerà la sua massima potenza, potrebbe ottenere due risultati imprevisti ma auspicabili, “due filoni che possono nascere sempre dalla ricerca in LHC: quello aperto dalla inaspettata comparsa di una particella non prevista (una fortuna che può sempre capitare esplorando una zona di energia mai osservata prima) e quello che potrebbe venire dalla creazione artificiale di particelle di materia oscura nell’acceleratore. Particelle che potrebbero essere (o non essere) connesse alla nuova fisica”.