I fisici del CERN hanno svelato il progetto di un enorme frantumatore di particelle con una circonferenza di 100 km che verrebbe utilizzato per studiare il bosone di Higgs in dettaglio senza precedenti e per cercare nuova fisica. Oggi, il rapporto di progettazione concettuale è stato rilasciato per il Future Circular Collider (FCC) – un collisore di particelle sotterraneo che sarebbe collegato con l’esistente Large Hadron Collider (LHC) vicino a Ginevra.
Da quando l’LHC è stato acceso per la prima volta nel 2008, il collisore di particelle con 27 km di circonferenza ha schiacciato insieme protoni ad energie fino a 13 TeV nella ricerca di nuove particelle. Nel 2012, i fisici hanno annunciato di aver scoperto il bosone di Higgs con una massa di 125 GeV. Questo ha portato François Englert e Peter Higgs a vincere il premio Nobel 2013 per la fisica per il lavoro di previsione teorica sulla particella. Tuttavia, da allora nessuna particella oltre il Modello Standard, come i partner supersimmetrici, è stata trovata.
Mentre l’LHC funzionerà ancora per qualche decennio prima di essere definitivamente spento, per più di tre decenni i fisici hanno svolto attività di R&D su collisori lineari che potrebbero un giorno essere il successore dell’LHC. Uno dei principali progetti è l’International Linear Collider (ILC), che accelererebbe elettroni e positroni usando cavità superconduttive. Poiché gli elettroni e i positroni sono particelle fondamentali, le loro collisioni sono più pulite di quelle protone-protone all’LHC, quindi sono ideali per studiare le particelle in grande dettaglio.
Il Giappone è l’unico paese che ha mostrato interesse ad ospitare l’ILC, ma il governo giapponese si è tirato indietro nel decidere se ospitare la macchina. Questo ha costretto i fisici a ridimensionare recentemente il loro progetto per l’ILC da 500 GeV a 250 GeV, con il governo giapponese che dovrebbe dare una decisione finale per ospitare l’ILC a marzo.
I fisici delle particelle vedono ancora vantaggi nel mantenere grandi collisori circolari, non ultimo perché hanno molta esperienza nel costruirli. Dal 1989 al 2000, per esempio, il CERN ha gestito il Large Electron-Positron Collider (LEP), che si trovava nello stesso tunnel che ora ospita l’LHC e ha effettuato misure precise dei bosoni Z e W. E data la massa relativamente bassa dell’Higgs, un collisore circolare sarebbe in grado di produrre luminosità più elevate senza subire enormi perdite dalla radiazione di sincrotrone, che colpirebbe un collisore che opera a energie più alte di 500 GeV.
Studi di precisione
Il progetto FCC è stato avviato nel 2013 dalla comunità europea di fisica delle particelle con un incontro tenutosi l’anno successivo a Ginevra per iniziare a lavorare sul rapporto. Il nuovo rapporto di progettazione concettuale in quattro volumi esamina la fattibilità della costruzione di un collisore circolare di 100 km ed esamina la fisica che tale macchina potenziale potrebbe svolgere. Richiede innanzitutto la costruzione di un tunnel sotterraneo di 100 km che ospiterebbe un collisore elettroni-positroni (FCC-ee). Questa macchina consisterebbe di 80 km di magneti di curvatura per accelerare il fascio e di magneti quadrupolari che focalizzano il fascio prima di farlo collidere in due punti dell’anello.
Il rapporto di progettazione concettuale FCC è un risultato notevole. Mostra l’enorme potenziale del FCC per migliorare la nostra conoscenza della fisica fondamentale e per far progredire molte tecnologie con un ampio impatto sulla società
Fabiola Gianotti
Il FCC-ee – il cui costo è stimato intorno ai 9 miliardi di dollari, di cui 5 miliardi verrebbero usati per costruire il tunnel – funzionerebbe a quattro energie per un periodo di 15 anni. Il collisore inizierebbe a 91 GeV, producendo circa 1013 bosoni Z in quattro anni prima di operare a 160 GeV per produrre 108 particelle W+ e W- per un periodo di due anni. Mentre le particelle W e Z sono già state misurate dal collisore LEP, si stima che la macchina FCC-ee migliorerebbe tali misure di un ordine di grandezza.
Facendo poi funzionare a 240 GeV per tre anni, la FCC-ee si concentrerebbe sulla creazione di un milione di particelle di Higgs. Questo permetterebbe ai fisici di studiare le proprietà del bosone di Higgs con una precisione di un ordine di grandezza migliore di quella che è possibile oggi con l’LHC. Infine, il collisore verrebbe spento per un anno per prepararlo a funzionare a circa 360 GeV per produrre un milione di coppie top e anti-top in cinque anni. Misure più precise di tali particelle potrebbero indicare deviazioni dalle previsioni del Modello Standard che potrebbero indicare una nuova fisica.
Una volta che il programma di fisica per l’FCC-ee sarà completato, lo stesso tunnel potrebbe essere utilizzato per ospitare un collisore protone-protone (FCC-hh), nello stesso modo in cui il LEP ha fatto posto all’LHC. “L’FCC potrebbe essere una risposta all’azione del LEP e dell’LHC” dice il teorico John Ellis del Kings College di Londra. “Un collisore protone-protone offrirebbe la migliore possibilità di scoprire nuove particelle”.
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Il FCC-hh userebbe l’LHC e i suoi acceleratori preiniettori per alimentare il collisore che potrebbe raggiungere un’energia massima di 100 TeV – sette volte maggiore dell’LHC. Tuttavia, produrre tali energie di collisione richiederebbe lo sviluppo di nuovi magneti che operano a campi magnetici più elevati per dirigere il fascio intorno al collisore. L’LHC attualmente funziona con magneti superconduttori da 8 T realizzati con leghe di niobio-titanio (NbTi). I magneti superconduttori sono utilizzati in quanto permettono il flusso di correnti elevate senza dissipare energia a causa della resistenza elettrica. L’FCC-hh, tuttavia, con fasci da 50 GeV, richiederebbe invece magneti da 16 T fatti di superconduttore niobio-stagno (Nb3Sn).
Attualmente l’LHC sta subendo una chiusura di due anni per migliorare la sua luminosità – una misura del tasso di collisioni di particelle – di un fattore 10. Soprannominato High-Luminosity LHC (HL-LHC), mira a mettere alla prova questo materiale utilizzando magneti a dipolo superconduttori a 11 T Nb3Sn. Ancora più R&D devono essere eseguiti prima che possano essere usati a 16 T. Data la necessità di R&D così come gli alti costi di costruzione dei magneti, il costo stimato del FCC-hh sarebbe di circa 15 miliardi di dollari, rispetto a circa 13 miliardi di dollari per il costo totale dell’LHC.
Gestire questa impresa come una collaborazione globale è veramente importante. Questo apre la possibilità di sostanziali contributi in natura
Michael Benedikt
La FCC-hh avrebbe una luminosità totale integrata di circa 15-20 ab-1 – un fattore di 5-10 in più di quella prodotta all’HL-LHC – e corrispondente a 1010 bosoni di Higgs prodotti. Sarebbe anche usato per cercare nuove particelle a masse più alte di quelle possibili a LHC e per scoprire o escludere l’esistenza di particelle termiche di materia oscura note come WIMP. Come per l’LHC, l’FCC-hh potrebbe anche essere usato come un collisore di ioni pesanti, schiacciando insieme ioni di piombo a 39 TeV per studiare effetti come il plasma di quark-gluoni. Si stima che il collisore sarebbe operativo per almeno 25 anni per “fornire uno strumento di ricerca fino alla fine del 21° secolo”.
“Il rapporto di progettazione concettuale dell’FCC è un risultato notevole. Mostra l’enorme potenziale del FCC per migliorare la nostra conoscenza della fisica fondamentale e per far progredire molte tecnologie con un ampio impatto sulla società”, dice il direttore generale del CERN Fabiola Gianotti. “Pur presentando nuove e scoraggianti sfide, la FCC trarrebbe grande beneficio dall’esperienza, dal complesso di acceleratori e dalle infrastrutture del CERN, che sono stati sviluppati nel corso di più di mezzo secolo.”
Mostrami i soldi
Dati gli enormi costi di costruzione della FCC, avrebbe bisogno di un ampio sostegno da parte della comunità e così i funzionari del CERN sono stati impegnati negli ultimi anni a costruire una collaborazione che ora consiste di 135 istituzioni in 34 paesi. “Gestire questo sforzo come una collaborazione globale è veramente importante”, dice il fisico del CERN Michael Benedikt, che guida il progetto FCC. “Questo apre la possibilità di sostanziali contributi in natura da parti che sono esperte nella costruzione di parti di una tale macchina.”
Anche se i fisici ottengono il sostegno finanziario per costruire la FCC, c’è la questione di quando iniziare a costruire la macchina. Una possibilità è quella di iniziare raddoppiando l’energia dell’LHC a circa 30 TeV con un aggiornamento ad alta energia (HE-LHC). Tuttavia Benedikt pensa che potrebbe essere possibile bypassare l’HE-LHC e passare direttamente all’FCC. In questo caso, il programma HL-LHC andrebbe in parallelo con la costruzione del tunnel FCC prima di fermarsi intorno al 2037. Il FCC-ee entrerebbe poi in funzione intorno al 2040.
Costruire il prossimo collisore
Il CERN non è l’unico a sviluppare nuovi progetti di collisore circolare. A novembre, i fisici cinesi hanno svelato il progetto concettuale per un proprio tunnel di 100 km, che ospiterebbe prima una macchina elettrone-positrone e poi un collisore protone-protone operante a 100 TeV. Anche se la costruzione del collisore cinese potrebbe iniziare prima del FCC, Benedikt dice che ci sono molte somiglianze tra i due progetti. “Questa è una buona cosa”, aggiunge Benedikt. “Il notevole sforzo della Cina conferma che questa è un’opzione valida e che c’è un ampio interesse per una macchina del genere”.”
Analisi: Rifacciamo il giro?
È una domanda abbastanza semplice, ma la risposta si sta rivelando piuttosto complicata: è un collisore circolare o lineare il modo migliore per effettuare misure precise sul bosone di Higgs?
Mentre il Large Hadron Collider (LHC) del CERN ha prodotto una quantità copiosa di bosoni di Higgs da quando la particella è stata scoperta nel 2012, le collisioni protone-protone non sono il modo migliore per studiare le proprietà precise di una particella. Questo perché i protoni non sono particelle elementari e quindi le loro collisioni producono detriti che influenzano la precisione delle misurazioni.
Questo non è il caso, tuttavia, quando si scontrano elettroni con positroni ed è per questo che i fisici delle particelle vogliono costruire una tale macchina per studiare il bosone di Higgs e cercare di individuare qualsiasi piccola deviazione che potrebbe dare indizi di fisica oltre il Modello Standard.
Per anni, i fisici hanno progettato collisori lineari che avrebbero operato sulla scala TeV. Uno di questi progetti è l’International Linear Collier (ILC), che il Giappone ha mostrato interesse ad ospitare, anche se in un’incarnazione più economica che funziona a 250 GeV.
A causa della necessità di superare le perdite di energia dalla radiazione di sincrotrone quando gli elettroni vengono accelerati intorno all’anello, i collisori lineari offrono una luminosità più alta – una misura del tasso di collisioni di particelle – rispetto alle loro controparti circolari per energie di collisione superiori a 400 GeV. Tuttavia, ad energie inferiori a questa soglia, i collisori circolari hanno una luminosità migliore di quelli lineari – e possono anche ospitare rivelatori multipli intorno all’anello.
Se la massa del bosone di Higgs fosse intorno ai 500 GeV o più, la maggior parte sarebbe d’accordo che un collisore lineare offre la strada migliore. Ma con una massa di Higgs di 125 GeV, una palla curva di luminosità piuttosto grande è stata lanciata nel procedimento. Questo ha riportato i collisori circolari sul tavolo da disegno e negli ultimi cinque anni i fisici hanno progettato possibili alternative. Questo ha portato a due proposte recenti – il Future Circular Collider (vedi testo principale) e il Circular Electron Positron Collider della Cina, il cui progetto è stato rilasciato lo scorso novembre.
Mentre i progetti circolari devono sostenere il costo della costruzione di un enorme tunnel sotterraneo, essi compensano più che bene in termini di versatilità e il fatto che i fisici hanno decenni di esperienza nella loro costruzione. Per esempio, lo stesso tunnel di 100 km potrebbe anche essere usato per una macchina protone-protone operante a 100 TeV che verrebbe usata per cercare nuove particelle.
La tecnologia sia per un ILC che per un collisore elettrone-positrone di 100 km è pronta, ma dato il prezzo esorbitante per entrambi, tutti i progetti avrebbero bisogno di una grande quantità di collaborazione internazionale. Infatti, è ampiamente compreso che il Giappone si offrirebbe di finanziare solo la metà del costo dell’ILC da 7,5 miliardi di dollari.
Se solo una macchina viene costruita, come sembra probabile, la domanda è quale? Le linee di battaglia sono state tracciate.