Nel 2008, un fascio di protoni si è inizialmente avvicinato al Large Hadron Collider (LHC), il più potente acceleratore di particelle al mondo. Ora, un decennio dopo, è tempo di fare il punto su ciò che abbiamo imparato grazie a questa struttura e su ciò che ci aspetta.
Questa contabilità include sia la ricerca futura che l'LHC può condurre sia le possibili nuove strutture che potrebbero far collidere particelle con energie ben oltre ciò che l'LHC può raggiungere. Sono state proposte due, o forse tre, possibili sostituzioni per l'LHC. Quindi, rivediamo dove siamo e dove siamo venuti nell'ultimo decennio.
La storia dell'LHC è al tempo stesso esaltante e turbolenta, con eventi che vanno dai danni disastrosi agli enormi magneti dello strumento nei primi giorni di operazioni, fino a un'ascesa simile a una fenice da quella tragedia, seguita da scoperte solide ed eccitanti, inclusa la scoperta di il bosone di Higgs. Quella scoperta ha meritato il premio Nobel per Peter Higgs e Francois Englert, poiché avevano predetto la particella oltre mezzo secolo fa. È insolito che il mondo segua rapidamente le notizie sulla fisica delle particelle, ma l'annuncio della scoperta di Higgs ha portato notiziari in tutto il mondo.
Trovare nuova fisica
I fisici erano anche ai margini dei loro posti, in attesa di ciò che speravano fossero scoperte inaspettate. Per quasi mezzo secolo, gli scienziati hanno elaborato l'attuale comprensione teorica del comportamento della materia subatomica. Questa comprensione è chiamata il Modello standard della fisica delle particelle.
Il modello spiega il comportamento osservato delle molecole e degli atomi della materia ordinaria e persino dei più piccoli blocchi noti mai osservati. Queste particelle sono chiamate quark e leptoni, con quark trovati all'interno dei protoni e dei neutroni che compongono il nucleo dell'atomo e con gli elettroni che sono il leptone più familiare. Il modello standard spiega anche il comportamento di tutte le forze note, ad eccezione della gravità. È davvero un risultato scientifico straordinario.
Tuttavia, il modello standard non spiega tutto nella fisica teorica. Non spiega perché i quark e i leptoni sembrano esistere in tre configurazioni distinte, ma quasi identiche, chiamate generazioni. (Perché tre? Perché non due? O quattro? O uno? O 20?) Questo modello non spiega perché il nostro universo è interamente fatto di materia, quando la più semplice comprensione della teoria della relatività di Albert Einstein afferma che l'universo dovrebbe contenere anche una uguale quantità di antimateria.
Il modello standard non spiega perché gli studi sul cosmo suggeriscano che la materia ordinaria degli atomi costituisce solo il 5 percento della materia e dell'energia dell'universo. Si ritiene che il resto sia costituito da materia oscura ed energia oscura. La materia oscura è una forma di materia che sperimenta solo la gravità e nessuna delle altre forze fondamentali, mentre l'energia oscura è una forma di gravità repulsiva che permea il cosmo.
Prima delle prime operazioni dell'LHC, fisici come me speravano che l'atomizzatore ci avrebbe aiutato a rispondere a queste domande sconcertanti. La teoria dei candidati più comunemente citata per spiegare quegli enigmi era chiamata supersimmetria. Suggerisce che tutte le particelle subatomiche conosciute hanno particelle di contropartita "superpartner". Questi, a loro volta, potrebbero fornire una spiegazione per la materia oscura e rispondere ad altre domande. Tuttavia, i fisici non hanno osservato alcuna supersimmetria. Inoltre, i dati LHC hanno escluso le teorie più semplici che incorporano la supersimmetria. Quindi, cosa ha realizzato l'LHC?
L'LHC ha fatto molto
Bene, a parte l'intera faccenda del bosone di Higgs, l'LHC ha fornito dati alle sue quattro grandi collaborazioni sperimentali, ottenendo oltre 2.000 articoli scientifici. All'interno dell'LHC, le particelle si sono schiantate l'una nell'altra a energie 6,5 volte superiori a quelle raggiunte dal Fermilab Tevatron, che ha detenuto il titolo di acceleratore di particelle più potente del mondo per un quarto di secolo, fino a quando l'LHC ha conquistato quella corona.
Questi test del modello standard erano molto importanti. Qualunque di queste misurazioni avrebbe potuto essere in disaccordo con le previsioni, il che avrebbe portato a una scoperta. Tuttavia, si scopre che il Modello standard è una teoria molto buona, e ha fatto previsioni accurate sulle energie di collisione LHC come ha fatto per i livelli di energia nel precedente Tevatron.
Quindi, questo è un problema? In un senso molto reale, la risposta è no. Dopotutto, la scienza riguarda tanto il test e il rifiuto di nuove idee sbagliate quanto la validazione di quelle corrette.
D'altra parte, non si può negare che gli scienziati sarebbero stati molto più entusiasti di trovare fenomeni che non erano stati previsti in precedenza. Scoperte di quel tipo guidano la conoscenza umana, culminando nella riscrittura dei libri di testo.
La storia di LHC non è finita
E ora? L'LHC ha finito di raccontarci la sua storia? Quasi. In effetti, i ricercatori non vedono l'ora di migliorare le attrezzature che li aiuteranno a studiare domande che non possono affrontare utilizzando la tecnologia attuale. L'LHC si è chiuso all'inizio di dicembre 2018 per due anni di ristrutturazioni e aggiornamenti. Quando l'acceleratore riprenderà a funzionare nella primavera del 2021, tornerà con un leggero aumento di energia ma raddoppiando il numero di collisioni al secondo. Tenendo conto dei futuri aggiornamenti pianificati, gli scienziati di LHC hanno finora registrato solo il 3 percento dei dati previsti. Mentre ci vorranno molti anni per esaminare tutti i risultati, l'attuale piano è quello di registrare circa 30 volte più dati di quanto sia stato ottenuto fino ad oggi. Con così tanti altri dati a venire, l'LHC ha ancora molta storia da raccontare.
Tuttavia, mentre l'LHC funzionerà probabilmente per altri 20 anni, è perfettamente ragionevole anche chiedere: "Qual è il prossimo?" I fisici delle particelle stanno pensando di costruire un acceleratore di particelle successivo per sostituire l'LHC. Seguendo la tradizione LHC, una possibilità colliderebbe fasci di protoni con energie da capogiro: 100 trilioni di elettronvolt (TeV), che è molto più grande della capacità massima dell'LHC di 14 TeV. Ma realizzare queste energie richiederà due cose: in primo luogo, avremmo bisogno di costruire magneti che siano due volte più potenti di quelli che spingono le particelle attorno all'LHC. Questo è considerato impegnativo ma realizzabile. In secondo luogo, avremo bisogno di un altro tunnel, molto simile a quello dell'LHC, ma ben più di tre volte più grande, con una circonferenza del campo da baseball di 61 miglia (100 chilometri), circa quattro volte più grande di quella dell'LHC.
Ma dove sarà costruito questo grande tunnel e come sarà davvero? Quali raggi si scontreranno e con quale energia? Bene, queste sono buone domande. Non siamo abbastanza avanti nel processo di progettazione e processo decisionale per ottenere risposte, ma ci sono due gruppi molto grandi e completi di fisici che pensano ai problemi e ognuno di essi ha generato una proposta per un nuovo acceleratore. Una delle proposte, in gran parte guidata da gruppi di ricerca europei, immagina di costruire un grande acceleratore aggiuntivo, molto probabilmente situato nel laboratorio del CERN, appena fuori Ginevra.
Secondo un'idea, una struttura lì si scontrerebbe con un fascio di elettroni e elettroni di antimateria. A causa delle differenze tra i protoni in accelerazione rispetto agli elettroni - un fascio di elettroni perde più energia intorno alla struttura circolare rispetto a un fascio di protoni - questo raggio userebbe il tunnel lungo 61 miglia ma opererebbe a energia inferiore rispetto a se fosse protoni. Un'altra proposta avrebbe usato lo stesso acceleratore lungo 61 miglia per scontrarsi con fasci di protoni. Una proposta più modesta riutilizzerebbe l'attuale tunnel LHC ma con magneti più potenti. Questa opzione raddoppierebbe l'energia di collisione al di sopra di ciò che l'LHC può fare ora, ma è un'alternativa meno costosa. Un'altra proposta, ampiamente sostenuta da ricercatori cinesi, immagina una struttura completamente nuova, presumibilmente costruita in Cina. Questo acceleratore si troverebbe anche a circa 61 miglia di distanza e si scontrerebbe elettroni e antimateria, prima di passare alle collisioni protone-protone nel 2040 circa.
Questi due potenziali progetti sono ancora in fase di discussione. Alla fine, gli scienziati che presentano queste proposte dovranno trovare un governo o un gruppo di governi disposti a pagare il conto. Ma prima che ciò possa accadere, gli scienziati devono determinare le capacità e le tecnologie necessarie per rendere possibili queste nuove strutture. Entrambi i gruppi hanno recentemente rilasciato una documentazione ampia e completa sui loro progetti. Non è abbastanza per costruire le strutture proposte, ma è abbastanza buono per confrontare le prestazioni previste dei futuri laboratori e iniziare a mettere insieme previsioni affidabili sui costi.
Indagare sulla frontiera della conoscenza è uno sforzo difficile, e possono volerci molti decenni dai primi sogni di costruire una struttura di questa portata, attraverso operazioni fino alla sua chiusura. Mentre celebriamo il decimo anniversario del primo raggio nell'LHC, vale la pena fare un bilancio di ciò che la struttura ha realizzato e di ciò che il futuro porterà. Mi sembra che ci saranno dati interessanti per la prossima generazione di scienziati da studiare. E forse, solo forse, impareremo alcuni altri affascinanti segreti della natura.
Don Lincoln è un ricercatore di fisica presso Fermilab. È autore di "The Large Hadron Collider: la straordinaria storia del bosone di Higgs e altre cose che ti lasceranno a bocca aperta"(Johns Hopkins University Press, 2014), e produce una serie di educazione scientifica video. Seguilo su Facebook. Le opinioni espresse in questo commento sono le sue.
Don Lincoln ha contribuito con questo articolo a Live Science Voci di esperti: Op-Ed e approfondimenti.
