Il successore del Large Hadron Collider andrà a caccia dell'universo oscuro

Un'illustrazione mostra come il Future Circular Collider farà impallidire il Large Hadron Collider
 (Credito immagine: CERN)

Il CERN ha rivelato i piani per il Futuro Circular Collider, che farà impallidire il Large Hadron Collider in dimensioni e potenza e andrà a caccia del 95% mancante del nostro universo.

La progettazione del successore del più potente acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider (LHC), è a buon punto.

Il nuovo “frantumatore di atomi”, chiamato Future Circular Collider (FCC) , farà impallidire l’LHC in termini di dimensioni e potenza. Distruggerà le particelle con così tanta energia, infatti, che gli scienziati dicono che potrebbe essere in grado di indagare sulle entità più misteriose del nostro universo: l'energia oscura e la materia oscura .

Lunedì (5 febbraio) gli operatori dell'LHC al CERN hanno rivelato alla stampa i risultati di una "revisione intermedia" del loro studio di fattibilità FCC. Lo studio di fattibilità è iniziato nel 2021 e si concluderà nel 2025. I risultati finora costituiscono tre anni di lavoro, con scienziati e ingegneri di tutto il mondo che hanno determinato il posizionamento del nuovo anello dell'acceleratore, l'implementazione della struttura FCC, i concetti per rilevatori e aspetti relativi al finanziamento.

L'FCC funzionerà sotto la giurisdizione di Francia e Svizzera, proprio come fa attualmente l'LHC, ma il futuro acceleratore si estenderà per 56,5 miglia (90,7 chilometri), ovvero oltre tre volte la lunghezza dell'attuale acceleratore di particelle del CERN, che è di 16,8 miglia ( 27 chilometri) di lunghezza. L'LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente del mondo.

Un piccolo tratto dell'acceleratore di particelle LHC, lungo quasi 17 miglia, che sarà sminuito dalla FCC. (Credito immagine: Robert Lea)

L'FCC funzionerà allo stesso modo dell'LHC, accelerando le particelle cariche attorno a un circuito, utilizzando magneti superconduttori , per poi frantumarle insieme mentre si avvicinano alla velocità della luce.

Gli scienziati possono sondare la fisica fondamentale osservando gli sciami di particelle secondarie create quando particelle come i protoni si scontrano insieme. Ma mentre l’LHC può raggiungere energie di circa 13 terra elettronvolt (TeV) quando funziona a piena potenza, il CERN afferma che l’FCC dovrebbe essere in grado di raggiungere energie fino a 100 TeV.

"Il nostro obiettivo è studiare le proprietà della materia su scala più piccola e con la massima energia", ha affermato il direttore generale del CERN Fabiola Gianotti alla presentazione del rapporto intermedio a Ginevra martedì (6 febbraio).

Perché gli acceleratori di particelle hanno bisogno di più potenza?

Il coronamento dell'LHC finora è senza dubbio la scoperta del bosone di Higgs , la particella portatrice di forza di un campo chiamato Campo di Higgs, che permea l'universo e determina le masse della maggior parte delle altre particelle.

L'avvistamento rivoluzionario del bosone di Higgs da parte di due rilevatori dell'LHC è stato annunciato il 4 luglio 2012 ed è accreditato di aver completato il Modello Standard della fisica delle particelle , che è la migliore descrizione dell'umanità dell'universo, delle sue particelle e delle loro interazioni su scala subatomica.

Tuttavia, il Modello Standard richiede ancora alcune modifiche e, dal 2012, gli scienziati utilizzano l’LHC per cercare la fisica oltre il modello per apportare tali modifiche. Il successo è stato limitato. Questa ricerca riceverà un impulso quando l' aggiornamento ad alta luminosità dell'LHC sarà completato, il che significherà che l'acceleratore di particelle potrà eseguire più collisioni e offrire agli scienziati più opportunità di individuare fisica esotica.

Un bosone di Higgs decade durante una collisione di particelle registrata dal rilevatore ATLAS presso l'LHC il 18 maggio 2012. (Credito immagine: ATLAS)

I due principali valori anomali del Modello Standard (ovvero il motivo per cui alcune di queste modifiche sono necessarie) sono la materia oscura e l’energia oscura.

A volte conosciuti collettivamente come “universo oscuro”, questi fenomeni costituiscono grandi misteri per gli scienziati perché l’energia oscura rappresenta circa il 68% dell’energia e della materia dell’universo, mentre la materia oscura rappresenta circa il 27% di questi continenti. Ma nessuno dei due può essere visto perché non interagiscono con la luce, e nessuno è stato in grado di individuarli nemmeno attraverso altre forme di rilevamento diretto. Ciò significa che la materia e l’energia che comprendiamo e di cui possiamo rappresentare non comprendono più del 5% del contenuto dell’universo, e abbiamo poca idea di cosa sia effettivamente circa il 95% dell’universo.

E sondare questi aspetti dell’universo potrebbe richiedere la collisione di particelle con molta più energia di quella di cui è capace l’LHC ad alta luminosità.

Per cominciare, la materia oscura non può essere “materia standard” come gli atomi che compongono le cose che vediamo intorno a noi ogni giorno, come le stelle, i pianeti e i nostri corpi. Ricordi come non interagisce con la luce? Ebbene, protoni, neutroni ed elettroni – noti collettivamente come “barioni” – lo fanno. Quindi, la materia oscura deve essere qualcos’altro.

Attualmente, l’unico modo in cui gli scienziati possono dedurre la presenza della materia oscura è attraverso la sua interazione con la gravità e l’effetto che questa ha sulla materia barionica e, di conseguenza, sulla luce.

L’energia oscura è ancora più problematica. È la forza che gli scienziati vedono guidare l'accelerazione dell'espansione dell'universo.

Si tratta di un periodo di espansione separato dall'inflazione iniziale dell'universo, innescata dal Big Bang. Dopo che l'espansione iniziale rallentò fino quasi a fermarsi, in un'epoca successiva, l'universo inspiegabilmente ricominciò ad espandersi. Questo tasso di espansione sta effettivamente accelerando fino ad oggi, con l’energia oscura utilizzata per spiegare tale azione.

Tuttavia, come abbiamo discusso, gli scienziati in realtà non sanno cosa sia l’energia oscura.

Per capire perché questo è preoccupante, immagina di spingere un bambino su un’altalena. Il Big Bang è simile alla prima e unica spinta che mette in moto l'altalena. L'oscillazione può continuare per un breve periodo, anche senza alcuna azione da parte tua, poi arriverà alla metà. Quindi, immagina che all'improvviso ricominci a muoversi nonostante tu stia lì. E non solo, ma oscilla sempre più velocemente, raggiungendo punti sempre più alti. Questo è simile a ciò che l’energia oscura sta facendo al tessuto stesso dello spazio.

Il CERN spera che le collisioni ad alta energia della FCC possano rivelare la natura di questa spinta in corso nell’universo tardo e le particelle che compongono la materia oscura.

Tuttavia, ci vorrà del tempo prima che questo futuro acceleratore di particelle sia pronto per intraprendere la sua indagine sull’universo oscuro.

La tempistica e il costo del Future Circular Collider

Nel 2028, tre anni dopo il completamento dello studio di fattibilità della FCC, gli stati membri del CERN si riuniranno per decidere se la FCC otterrà il via libera. Se il futuro collisore dovesse ottenere il via libera, afferma il CERN , la costruzione inizierà a metà degli anni ’30.

La FCC sarà completata in più fasi. Il primo stadio è un collisore elettrone-positrone (FCC-ee) che sbatterà insieme gli elettroni caricati negativamente, le loro controparti antiparticellari positive, note come positroni, e altre particelle leggere. Il CERN aggiunge che FCC-ee dovrebbe iniziare le operazioni nel 2045.

La seconda macchina dell'FCC sarà un acceleratore di collisione di protoni (FCC-hh) situato accanto all'FCC-ee nello stesso tunnel evacuato, sepolto sotto le Alpi franco-svizzere e il Lago di Ginevra. Questa parte sarebbe disponibile non prima del 2070, secondo il CERN.

Alla conferenza stampa del CERN, Gianotti ha illustrato alcuni dei costi dell'FCC, affermando che il solo primo stadio FCC-ee costerebbe circa 17 miliardi di dollari.

Il direttore generale del CERN ha giustificato il costo aggiungendo che la FCC è l'unica macchina che consentirebbe all'umanità di fare il grande salto nello studio della materia necessaria per svelare i segreti dell'universo oscuro.