Forse abbiamo bisogno di un acceleratore di muoni

Author: Wired

Se tutto dovesse andare secondo i piani, nel 2045 potrebbe entrare in funzione il Future circular collider (Fcc), un enorme acceleratore di particelle tre volte più grande del Large hadron collider (Lhc) – quello con cui scoprimmo il bosone di Higgs, per intenderci – una macchina che, nelle intenzioni dei progettisti, dovrebbe aiutarci indagare molti degli attuali problemi irrisolti della fisica, tra cui, per esempio, l’origine della forza di gravità e l’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura. Ma il 2045 è ancora piuttosto lontano, e i fisici sono notoriamente impazienti: è per questo che più d’uno scienziato comincia valutare la possibilità di guardare (anche) in un’altra direzione, ossia, nello specifico, di costruire un acceleratore di particelle di tipo diverso. Più piccolo ed economico, e dunque più facile da costruire, ma praticamente equivalente dal punto di vista del rendimento. Si tratta, come spiega Adrien Cho in un pezzo pubblicato su Science, di una macchina dedicata a un tipo di particelle diverse rispetto a quelle usate negli acceleratori “tradizionali” (sostanzialmente protoni ed elettroni), e cioè i cosiddetti muoni. Per la verità, se ne parla da diversi anni (la rivista Nature, per esempio, vi aveva dedicato un approfondimento nel 2021) ma ora, finalmente, il progetto sembra essere arrivato a una tappa più operativa.

Cosa sono i muoni

I muoni sono particelle elementari abbastanza simili agli elettroni (hanno carica elettrica negativa e spin di ½) ma circa 200 volte più pesanti: è questo che li rende così promettenti, perché in virtù della loro massa maggiore possono essere accelerati, a parità di lunghezza della macchina, a energie molto più alte. Di contro, però, i muoni sono molto meno stabili degli elettroni, e decadono molto velocemente in altre particelle (elettroni e neutrini, per la precisione) ed è quindi più difficile “intercettarli” prima che si trasformino; inoltre, i prodotti di decadimento dei muoni costituiscono un rumore di fondo che può rendere molto difficile lo studio dei segnali, e quindi è necessario anche sviluppare rivelatori più sensibili e precisi. Insomma, tante potenzialità ma anche tante sfide tecniche complesse: “C’è solo un problema” dice ancora Cho su Science “nessuno sa se un acceleratore di muoni possa effettivamente essere costruito. Dalla generazione dei muoni alla loro raccolta in fasci compatti al rilevamento delle particelle prodotte nelle loro collisioni, la macchina presenta nuove sfide tecnologiche”.

Il percorso verso l’acceleratore

Tuttavia, come dicevamo, i fisici hanno cominciato a provarci sul serio. A dicembre dello scorso anno, un comitato consultivo, il Particle Physics Project Priorization Panel (P5) ha tracciato una tabella di marcia per il prossimo decennio di ricerca nel campo, indicando esplicitamente l’avvio di un progetto di ricerca e sviluppo dedicato a un acceleratore di muoni, a testimonianza delle speranze che la comunità scientifica ripone in una macchina di questo tipo e nella possibilità di raggiungere energie più elevate rispetto a quelle di Lhc per vedere o creare quello che Lhc non è riuscito a vedere né creare: particelle di materia oscura, buchi neri in miniatura, particelle supersimmetriche e molto altro. “Se Lhc avesse scoperto una fisica nuova e sconosciuta, ci staremmo dedicando a studiarla con la maggior precisione possibile” ha detto Rachel Yohay, fisica sperimentale della Florida State University “ma purtroppo non è stato così [l’individuazione del bosone di Higgs, il più grande successo di Lhc, è stata per esempio la conferma di una teoria di mezzo secolo prima, e in questo senso non si tratta di “fisica nuova”, nda] e quindi ora abbiamo intenzione di studiare cosa accade a energie più elevate”.

Tra l’altro è anche relativamente al bosone di Higgs che un acceleratore di muoni potrebbe fornire risposte a domande ancora aperte, a cui Lhc non può rispondere perché non è in grado di produrre bosoni di Higgs in quantità sufficiente, cosa che invece potrebbe essere possibile con un acceleratore di muoni. Un acceleratore di muoni, inoltre, potrebbe riuscire a produrre le cosiddette Wimp (ossia weakly interacting massive particles), ipotetiche particelle dotate di massa che interagiscono molto debolmente con la materia “ordinaria” e che per questo sono candidate a essere una delle costituenti della materia oscura e a essere coinvolte nella teoria della supersimmetria, un’altra questione aperta nella fisica di frontiera.

Un acceleratore di muoni, idealmente, potrebbe riutilizzare alcuni dei componenti già presenti negli acceleratori “tradizionali”, ma modificati in modo da funzionare molto più velocemente (in virtù del fatto che, come dicevamo in precedenza, il muone ha una vita media molto breve). Uno schema (semplificato) potrebbe essere il seguente: un fascio di protoni viene sparato contro un bersaglio per produrre particelle chiamate pioni carichi, che poi vengono fatte passare all’interno di un campo magnetico e decadono in muoni; questi muoni sono poi confinati in un fascio di pochi micrometri facendoli passare attraverso un materiale a bassa densità, come idruro di litio o idrogeno liquido; poi, tramite altri campi magnetici, il fascio viene ulteriormente accelerato e “iniettato” in un percorso circolare dotato di rivelatori. (Alcune) complicazioni: la generazione e la stabilizzazione dei campii magnetici necessari; la gestione di alcuni dei prodotti di decadimento dei muoni, tra cui neutrini altamente energetici; la messa a punto di un sistema di raffreddamento efficiente. “Una macchina di questo tipo” ha commentato Stephen Gourlay “è il sogno e l’incubo di qualsiasi costruttore”. Chissà se – e quando – ci riusciremo davvero.