Nessuno si scherza con il Large Hadron Collider. È il più grande distruttore di particelle dell'era attuale e nulla può toccare le sue capacità energetiche o la capacità di studiare le frontiere della fisica. Ma tutta la gloria è transitoria e nulla dura per sempre. Alla fine, intorno al 2035, le luci di questo anello di potere lungo 27 miglia (27 chilometri) si spegneranno. Cosa viene dopo?
Gruppi in competizione in tutto il mondo si stanno impegnando per garantire il sostegno finanziario per rendere le idee dei loro collezionisti di animali domestici la prossima grande novità. Un disegno è stato descritto il 13 agosto in un documento nel giornale di prestampa arXiv. Conosciuto come Compact Linear Collider (o CLIC, perché è carino), la proposta di un'enorme pistola subatomica su rotaia sembra essere la prima pista. Qual è la vera natura del bosone di Higgs? Qual è la sua relazione con il quark top? Possiamo trovare qualche accenno di fisica oltre al modello standard? CLIC potrebbe essere in grado di rispondere a queste domande. Implica solo un collettore di particelle più lungo di Manhattan.
Drag racing subatomico
Il Large Hadron Collider (LHC) rompe insieme particelle un po 'pesanti conosciute come adroni (da cui il nome della struttura). Hai un sacco di adroni dentro il tuo corpo; protoni e neutroni sono i rappresentanti più comuni di quel clan microscopico. All'LHC, gli adroni girano e rigirano in un cerchio gigante, fino a quando non si avvicinano alla velocità della luce e iniziano a distruggere. Sebbene impressionante - l'LHC raggiunge energie ineguagliate da qualsiasi altro dispositivo sulla Terra - l'intera faccenda è un po 'disordinata. Dopotutto, gli adroni sono particelle di conglomerato, solo sacchi di altre cose più piccole e fondamentali, e quando gli adroni si rompono, tutte le loro viscere si riversano ovunque, il che rende complicata l'analisi.
Al contrario, CLIC è progettato per essere molto più semplice, più pulito e più chirurgico. Invece di adroni, CLIC accelererà elettroni e positroni, due particelle leggere e fondamentali. E questo smasher accelererà le particelle in linea retta, ovunque da 7 a 31 miglia (da 11 a 50 km), a seconda del design finale, proprio lungo la canna.
Tutta questa meraviglia non accadrà tutta in una volta. Il piano attuale prevede che CLIC inizi a funzionare a capacità inferiore nel 2035, proprio quando l'LHC si sta esaurendo. Il CLIC di prima generazione opererà a soli 380 gigaelectronvolts (GeV), meno di un trentesimo della potenza massima dell'LHC. In effetti, anche la piena potenza operativa di CLIC, attualmente destinata a 3 teraelectronvolts (TeV), è meno di un terzo di ciò che l'LHC può fare ora.
Quindi, se un collettore di particelle avanzato di nuova generazione non può battere quello che possiamo fare oggi, che senso ha?
Cacciatore di Higgs
La risposta di CLIC è lavorare in modo più intelligente, non più difficile. Uno dei principali obiettivi scientifici dell'LHC era di trovare il bosone di Higgs, la particella a lungo cercata che conferisce ad altre particelle la loro massa. Negli anni '80 e '90, quando fu progettato l'LHC, non eravamo sicuri che esistesse nemmeno l'Higgs e non avevamo idea di quale fosse la sua massa e altre proprietà. Quindi abbiamo dovuto costruire uno strumento di uso generale in grado di indagare su molti tipi di interazioni che potrebbero potenzialmente rivelare un Higgs.
E l'abbiamo fatto. Evviva!
Ma ora che sappiamo che l'Higgs è una cosa reale, possiamo sintonizzare i nostri collider su una serie molto più ristretta di interazioni. Nel fare ciò, mireremo a produrre il maggior numero possibile di bosoni di Higgs, raccogliere un sacco di dati succosi e imparare molto di più su questa particella misteriosa, ma fondamentale.
Ed ecco forse il gergo fisico più strano che potresti incontrare questa settimana: Higgsstrahlung. Sì, hai letto bene. Esiste un processo di fisica delle particelle noto come bremsstrahlung, che è un tipo unico di radiazione prodotta da un gruppo di particelle calde stipate in una piccola scatola. Per analogia, quando si sbatte un elettrone in una posizione ad alte energie, si distruggono a vicenda in una pioggia di energia e nuove particelle, tra cui un bosone Z accoppiato con un Higgs. Quindi, Higgsstrahlung.
A 380 Gev, il CLIC sarà uno straordinario stabilimento di Higgsstrahlung.
Oltre il quark top
Nel nuovo articolo, Aleksander Filip Zarnecki, fisico dell'Università di Varsavia in Polonia e membro della collaborazione CLIC, ha spiegato lo stato attuale del progetto della struttura, basato su sofisticate simulazioni dei rivelatori e delle collisioni di particelle.
La speranza con CLIC è che semplicemente producendo il maggior numero possibile di bosoni di Higgs in un ambiente pulito e facile da studiare, possiamo imparare di più sulla particella. C'è più di un Higgs? Si parlano? Con quale forza Higgs interagisce con tutte le altre particelle del Modello standard, la teoria fondamentale della fisica subatomica?
La stessa filosofia verrà applicata al quark top, il meno ben compreso e il più raro dei quark. Probabilmente non hai sentito molto del quark top perché è un po 'un solitario: è stato l'ultimo quark a essere scoperto e lo vediamo solo raramente. Anche nelle fasi iniziali, CLIC produrrà circa 1 milione di quark top, fornendo un potere statistico inaudito quando si usano l'LHC e altri collider moderni. Da lì, il team dietro CLIC spera di indagare su come decade la particella di quark top, cosa che accade molto raramente. Ma con un milione di loro, potresti essere in grado di imparare qualcosa.
Ma non è tutto. Certo, una cosa è arricchire Higgs e il top quark, ma il design intelligente di CLIC gli consente di oltrepassare i confini del Modello Standard. Finora, l'LHC si è asciugato nella sua ricerca di nuove particelle e nuova fisica. Mentre ci rimangono ancora molti anni per sorprenderci, col passare del tempo, la speranza sta diminuendo.
Attraverso la sua produzione grezza di innumerevoli bosoni di Higgs e quark top, CLIC può cercare suggerimenti di nuova fisica. Se c'è qualche particella esotica o interazione là fuori, potrebbe influenzare sottilmente i comportamenti, i decadimenti e le interazioni di queste due particelle. CLIC può persino produrre la particella responsabile della materia oscura, quella materia misteriosa e invisibile che altera il corso dei cieli. La struttura non sarà in grado di vedere direttamente la materia oscura, ovviamente (perché è oscura), ma i fisici possono individuare quando l'energia o lo slancio sono scomparsi dagli eventi di collisione, un segno sicuro che qualcosa di strano sta succedendo.
Chi sa cosa potrebbe scoprire CLIC? Ma non importa cosa, dobbiamo andare oltre l'LHC se vogliamo una buona possibilità di comprendere le particelle conosciute del nostro universo e scoprirne di nuove.
Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di "Chiedi a un astronauta" e "Space Radio, "e autore di"Il tuo posto nell'universo."
