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02:00 21 Luglio 2019
L'acceleratore circolare elettrone-positrone

Un acceleratore gigante svelerà il segreto delle “particelle di Dio”

© Foto: Depositphotos, Alina Polyanina
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L’Istituto cinese di fisica ad alta energia ha pubblicato un progetto per un acceleratore circolare elettrone-positrone lungo 100 km.

Globalmente questo progetto è stato considerato come un tentativo di assumere la leadership nella fisica delle particelle. La gigantesca piattaforma sotterranea diventerà una fabbrica di bosoni di Higgs. L'obiettivo principale è dimostrare l'esistenza di una nuova fisica e di scoprire il segreto della materia oscura. Sputnik vi svela i misteri del futuro acceleratore più potente al mondo e vi spiega quale ruolo svolgeranno i fisici russi nel progetto.

Sdoppiamento

La fisica del micromondo viene studiata con l'ausilio degli acceleratori di particelle, cioè piattaforme lineari o circolari che misurano centinaia di metri e decine di km. Senza di essi sarebbe difficile svelare i segreti della materia che ci circonda. Tuttavia, di norma il loro costo supera il budget dei singoli Stati.

John Lajoie, professore di fisica presso l'Università dello Utah (USA)
© Foto : Università nazionale di ricerca nucleare presso l’Istituto di ingegneria fisica di Mosca

All'inizio degli anni '90 progetti per superacceleratori di protoni vennero sospesi negli USA (perdite di 2 miliardi di dollari) e in Russia (dopo aver creato un tunnel di 20 km a Protvino). Dopodiché gli sforzi internazionali si sono concentrati sulla costruzione del Large Hadron Collider (LHC) del Cern per confermare empiricamente l'esistenza del bosone di Higgs ipotizzata già negli anni '60.

Nel 2012 venne scoperta la "particella di Dio", ennesima conferma del Modello standard (la teoria fisica che descrive il micromondo). Al tempo già si accumulavano dati riguardo una materia oscura nell'universo non osservabile nemmeno con le metodologie più avanzate. Gli scienziati chiamano questa corrente "nuova fisica" e stanno tentando di elaborare nuovi esperimenti sugli acceleratori per sondare il terreno. Ma senza piattaforme di potenza assai superiore non si va da nessuna parte.

Gli scienziati cinesi si sono inseriti attivamente nelle ricerche sulla nuova fisica. Inizialmente hanno proposto la creazione di un acceleratore di 50 km, ma alla fine ne hanno progettato uno circolare di 100 km.

Recentemente nell'archivio elettronico della Cornell University sono stati pubblicati due tomi di argomentazioni sulla fisica, intitolati "Conceptual design report". Questi documenti verranno discussi dalla comunità internazionale. Con il loro ausilio verrà stabilito il budget del progetto da presentare al governo per ottenerne l'approvazione.

Una presentazione d'effetto

L'acceleratore circolare elettrone-positrone (Circular electron positron collider, CEPC) è composto da tre piattaforme disposte in un unico tunnel. Il booster è un anello in cui prendono velocità gli accumuli di particelle generati nell'acceleratore lineare. Poi gli accumuli di elettroni e positroni si concentrano ognuno nel proprio anello, si uniscono a formare un fascio e si scontrano. Il progetto prevede due punti di interazione dei fasci di elettroni e positroni. In corrispondenza di questi due punti verranno collocati dei sensori per la registrazione dei processi fisici.

Gli scienziati intendono creare un milione di bosoni di Higgs nei prossimi dieci anni. Sarà facile registrarlo perché nello scontro di fasci di elettroni e di positroni si generano solo bosoni Z. Nell'LHC i bosoni vengono ottenuti raramente perché sono difficili da distinguere dal rumore di fondo.

Per ottenere i parametri necessari, il fascio di particelle dev'essere molto spesso. Negli acceleratori i fasci sono trattenuti da potenti campi magnetici. Ma per il mega-acceleratore questo è ben poco. I fasci vanno fatti scontrare in obliquo e comprimendoli nel punto più stretto. La tecnologia che ci permette di farlo (crab waist) è stata messa a punto da un team di fisici italiani e russi.

"Sono convinto che ottenere maggiore luminosità senza utilizzare la crab waist sia molto difficile. I suoi componenti principali sono potenti magneti tetrapolari che concentrano i fasci nel punto in cui si scontrano, nonché lenti elettromagnetiche esapolari che modificano la concentrazione di particelle a seconda della loro inclinazione rispetto al centro delle lenti. Condizione necessaria è lo scontro dei fasci in obliquo. La forza delle lenti esapolari e la loro posizione sono legate ai parametri dei fasci nel punto di scontro", spiega Mikhail Zobov, uno dei creatori di questa tecnologia e direttore delle ricerche del Laboratorio nazionale di Frascati presso l'Istituto nazionale di fisica nucleare.

Il CEPC si basa sui lavori effettuati da Zobov e i suoi colleghi sulla crab waist. Entrambi i tomi abbondano di riferimenti a studi russi e sovietici sugli acceleratori. Secondo il fisico, gli scienziati cinesi potrebbero da soli realizzare praticamente lo scontro di fasci. Ma dovranno anche superare numerosi problemi.

"La crab waist ha di fatto risolto il problema centrale dell'interazione lineare fra fasci di particelle carichi. Ma per sfruttare pienamente il suo potenziale, è necessario perfezionare alcuni aspetti. Ad esempio, bisogna garantire stabilità ai fasci di piccole dimensioni e di elevata intensità. Questo è solo uno dei problemi da risolvere", precisa lo scienziato.

Lo sviluppo della fisica delle particelle in Asia

Il luogo in cui si costruirà il CEPC ancora non è stato scelto, ma è stato calcolato che l'acceleratore costerà circa 5 miliardi di dollari USA. L'investimento principale lo farà il governo cinese, ma anche gli investimenti stranieri non vanno ignorati. La costruzione è prevista per il periodo 2022-2030.

Per i primi dieci anni il compito principale del CEPE sarà la misurazione nel dettaglio dei parametri del bosone di Higgs. Secondo il modello standard, il campo di Higgs pervade tutto lo spazio ed emette una massa di quark, elettroni e altri mattoni fondamentali dell'universo.

Dopodiché l'acceleratore verrà impostato per lavorare con i protoni a una energia di 100 TeV.

Il fisico di origine cinese Chen Ning Yang, vincitore del Premio Nobel, ha criticato il progetto che, a suo parere, sarebbe troppo costoso e correrebbe il rischio di ripetere le esperienze degli acceleratori in USA e URSS.

Mikhail Zobov è più ottimista e ritiene che i finanziamenti per il CEPC ci siano. Secondo lui, a riprova di questo ci sarebbero gli accesi dibattiti sul progetto cinese tra la comunità scientifica internazionale e sui media.

Il grande pubblico, inoltre, è preoccupato per la sicurezza di questi progetti. Durante la costruzione dell'LHC i fisici hanno dovuto smentire molti falsi miti riguardo l'influsso delle radiazioni e la comparsa di buchi neri che avrebbero potuto distruggere il pianeta. Paure analoghe interessano anche il progetto cinese tenute conto le sue dimensioni. Tuttavia, i creatori del progetto sono convinti che il tutto sarà portato a termine in sicurezza.

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acceleratore, Ricerca, scienza, Cina
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