Il futuro del CERN: cosa ci aspetta dopo LHC?
Il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra, comunemente conosciuto come LHC, è l’acceleratore di particelle più potente mai costruito dall’uomo. Questa incredibile macchina ha permesso di raggiungere dei risultati straordinari, come la famosa scoperta dell’attesissimo bosone di Higgs nel 2012, ma anche tanti altri che per i non addetti ai lavori spesso passano inosservati, ma stanno permettendo ai fisici di tutto il mondo di definire con sempre più precisione le caratteristiche e i limiti del Modello Standard, che è la teoria che al momento ci permette di descrivere la materia. Come potrete leggere in un vecchio articolo della rubrica scientifica di Xanthippe riguardante la materia oscura, uno dei principali problemi della fisica moderna è quello di capire con quale teoria possano essere descritti tutti quei fenomeni che sono stati osservati sperimentalmente in modo più o meno diretto negli ultimi anni, ma che non sono inclusi nella teoria del Modello Standard. Per poterli spiegare, i teorici hanno elaborato diverse nuove teorie che permettano di continuare a includere sia tutto quello che prevede il Modello Standard (che per ora sembra funzionare molto bene) sia questi elementi extra che finora le teorie non avevano ancora previsto, come le particelle di materia oscura o il fatto che i neutrini abbiano una massa non nulla. Vi sto parlando di questo perché è proprio da questa problematica che nasce la necessità di superare il grandioso LHC: per quanto potente, non riesce a raggiungere le energie minime per poter osservare eventi di nuova fisica. Gli indizi che si vogliono cercare per validare le nuove teorie, infatti, sono molto rari e includono la comparsa di particelle molto pesanti, che possono essere generate facendo scontrare particelle a energie elevatissime, più alte di quelle dei protoni che finora si sono scontrati a LHC.
Per questo il CERN sta sviluppando un piano per i prossimi anni per potenziare LHC finché possibile e per passare in seguito a un nuovo acceleratore, ancora più potente.
Al momento LHC è spento: è in atto il cosiddetto Long Shutdown 2, durante il quale si stanno cercando di portare al massimo delle loro capacità tutte le componenti del buon vecchio LHC per aumentare la luminosità dell’acceleratore di un fattore 2. La luminosità è una grandezza fondamentale in questo discorso, in quanto permette di quantificare le performance dell’acceleratore: si tratta di una quantità proporzionale al numero di collisioni tra le particelle che si verificano in una certa finestra temporale. Con questo aumento di luminosità si avrà quindi l’ultimo periodo di attività di LHC, il Run 3, tra Il 2020 e il 2022. Dopodichè avremo il Long Shutdown 3 e il CERN si metterà al lavoro per il nuovo acceleratore: High-Luminosity LHC. Per gli amici High-Lumi, la nuova macchina sfrutterà lo stesso anello di 27 chilometri di LHC, ma sarà dotata di una serie di nuove componenti che le permetteranno di raggiungere una luminosità pari a 10 volte quella dell’attuale LHC (da cui il nome High-Luminosity). Questo significa che la quantità di eventi che potranno essere visti dai grandi occhi del CERN, i rivelatori (anche loro adeguatamente potenziati per l’occasione), sarà veramente enorme. Secondo gli studi di simulazione, grazie al grande numero di dati, High-Lumi potrebbe già permetterci di studiare eventi rari o difficili da analizzare che con LHC erano impossibili da vedere. A partire dal 2025, quindi, per ben 10 anni potremo sperare di avere qualche bella nuova notizia, ma anche qui, fino a un certo punto. In High Luminosity aumenterà il numero di collisioni per poter ottenere più risultati, ma l’energia con cui le particelle si scontreranno non aumenterà rispetto a quella di LHC. Per poter arrivare ad energie ancora più alte è necessario cambiare completamente l’acceleratore: il tubo acceleratore di 27 chilometri non può più bastare. Proprio negli ultimissimi tempi la comunità della fisica delle particelle sta studiando quali possano essere i passi successivi. Al momento il CERN ha individuato due possibili alternative: il Future Circular Collider (FCC) e il Compact Linear Collider (CLiC).
Per FCC è stato pubblicato proprio lo scorso gennaio il Conceptual Design Report, in cui vengono presentati i vari modi in cui potrebbe essere realizzato l’acceleratore. L’idea di base è quella di utilizzare LHC per preaccelerare le particelle, che poi dovranno passare all’acceleratore vero e proprio, un anello di 100 chilometri che permetterebbe di raggiungere energie di 100 TeV, dove quelle attuali di LHC si fermano a 14 TeV. Questo acceleratore potrebbe essere utilizzato inoltre per accelerare non solo protoni, ma anche elettroni e positroni (ovvero anti-elettroni), ampliando ulteriormente le possibilità delle ricerche. Il concorrente di questo progetto è CLiC, un acceleratore non più circolare ma lineare, che sarebbe lungo quanto il diametro di LHC, circa 11 chilometri. In questo caso le energie raggiunte sarebbero molto simili a quelle di LHC, ma si userebbero fasci di elettroni e positroni anziché protoni, che permetterebbero anche qui di vedere la fisica sotto una nuova luce.
Nei prossimi anni scopriremo chi sarà il vincitore e come deciderà di agire il CERN per portare avanti la ricerca e scovare gli indizi di nuova fisica. C’è da ricordare, però, che tutto questo non porterà progressi solo per la ricerca in fisica delle particelle, ma avrà un enorme impatto più in generale su tutta la ricerca tecnologica: macchine come FCC e CLiC richiederanno lo sviluppo di strumentazioni estremamente innovative e all’avanguardia che potrebbero trovare numerossissime applicazioni in altri ambiti e finire per diventare parte integrante della nostra vita quotidiana.