Cern, oltre i confini della materia: con il progetto del nuovo acceleratore si cercano risposte ai misteri dell'universo

É un po’ come provare a far parlare il silenzio, o cercare il buio nel buio.

Sfide impossibili (in apparenza), ma è così che procede la ricerca, «per salti logici. Il non poter andare oltre rappresenta per noi ricercatori una ragione per andare oltre», Gian Francesco Giudice, direttore del Dipartimento di Fisica Teorica del Cern di Ginevra, e tutti gli scienziati (16mila di 110 nazionalità) che lavorano a Ginevra, guardano proprio lì. «Oltre il conosciuto, la sperimentazione fisica sulle particelle è esplorazione». Oltre la “particella di Dio”, quella che dà massa a tutte le altre, scoperta da Nobel fatta qui. Oltre l’energia e la velocità raggiunte nei tunnel del più grande laboratorio al mondo di ricerca sulle particelle elementari. Traguardi che già vengono sfidati con nuovi progetti. Il più ambizioso, è il Future Circolar Collider (FCC), quasi 100 chilometri di circonferenza sotto il lago di Ginevra, che proverà a dare risposte, ad esempio, sulla natura della materia oscura. Ma per capire dove si va, bisogna partire dal punto in cui si è arrivati. E scendere fino a 82,5 metri di profondità dove si trova l’LHC (Large Hadron Collider) l’acceleratore di particelle più potente mai costruito. Il fisico del Cern Matteo Solfaroli ci fa da guida in questo viaggio nei cunicoli sotterranei a pochi chilometri da Ginevra dove è stato scoperto il bosone di Higgs, tra tubi e macchine spettacolari. «LHC accelera due fasci di adroni (tra le particelle elementari, ndr) ad un’energia di 6.8 teraelettronvolt (in fisica, unità di misura dell’energia) per farli collidere gli uni contro gli altri», spiega lo scienziato. «Per avere un’idea. «L’energia del fascio di LHC è pari a quella di un treno da 400 tonnellate che viaggia a 150 km/h. Questa energia sarebbe in grado di fondere 500 kg di rame ed è concentrata in un oggetto delle dimensioni di un capello. La particolarità di questo fascio di particelle è che dentro LHC l’energia è concentrata in un oggetto delle dimensioni di un capello umano. L’acceleratore è costruito in un tunnel sotterraneo di 27 km di circonferenza a circa 100m di profondità. Nei 27 km di circonferenza ci sono 8 sezioni dritte, ognuna di circa 500m di lunghezza, nelle quali si trovano alcuni degli elementi principali dell’acceleratore: I quattro principali rilevatori (gli esperimenti ATLAS, CMS, LHCb, ALICE), le inserzioni dei collimatori (strumenti necessari per mantenere alta la qualità del fascio».

 «Le particelle circolano dentro a due camere a vuoto ad una velocità prossima a quella della luce, effettuando circa 11.245 giri al secondo», continua il fisico. «LHC vanta 9300 magneti di cui 1232 dipoli superconduttori costruiti in una lega di niobio e titanio, che sono mantenuti a temperatura di 1.9 K (circa -271 °C). In questo senso l’LHC è il frigo più potente del mondo, dal momento che questa temperatura è inferiore a quella che si trova nello spazio».  Il rivelatore ATLAS (dove si “osservano” le collisioni) è la seconda tappa del tour sotterraneo, un cilindro alto 25 metri che pesa come la Torre Eiffel e contiene 3mila chilometri di cavi.

GLI STUDI

Cosa si cerca con l'acceleratore LCH? «Tra gli scopi principali degli studi vi è la ricerca di tracce dell’esistenza di nuove particelle. Studiando i meccanismi che regolano le interazioni, riusciamo ad aumentare la nostra comprensione, ora parziale, di come l’universo si è evoluto e del perché lo abbia fatto diventando quello che è oggi». Per farlo, bisogna riprodurre ogni esperimento un altissimo numero di volte. Molto di più si capirà con l’upgrade che verrà effettuato tra il 2026 e il 2028 e porterà all’High-Luminosity LHC (HL-LHC). «L’obiettivo del progetto è aumentare la luminosità, il parametro che indica la frequenza delle collisioni in una unità di tempo, di un fattore 10. Con questo potenziamento, LHC si spingerà oltre i limiti della conoscenza umana, dando la possibilità ai fisici di studiare fenomeni reali oltre i confini del modello standard e del bosone di Higgs. Per esempio, la materia oscura e la teoria supersimmetrica sono alcune delle domande cui HL-LHC potrebbe dare una risposta». E altri progetti guardano oltre l’orizzonte di HL-LHC. «Un importante progetto allo studio è il Compact Linear Collider (CLIC), un acceleratore lineare lungo fino a 50 km in grado di creare collisioni fra protoni e positroni ad alta energia, con lo scopo di effettuare misure di alta precisione per caratterizzare il bosone di Higgs, la particella conosciuta come particella di Dio». 

IL FUTURO

Ma la sfida più ambiziosa è il Future Circolar Collider (FCC), un tunnel di circa 100 chilometri. «Un progetto ambizioso che mira a costruire un nuovo collider circolare di particelle in un tunnel con una circonferenza di circa 100 chilometri sotto il lago di Ginevra.

Questo acceleratore, utilizzerebbe l’LHC come iniettore, permettendo di accelerare fasci di particelle ad energie mai raggiunte prima. L'obiettivo principale di FCC è di esplorare energie molto più elevate rispetto a quelle raggiunte dal LHC, consentendo così di studiare le particelle e le leggi della fisica in una regione mai esplorata». Qualcosa come 100 TeV, sette volte più elevate di ora. «Questo potrebbe portare a nuove scoperte e alla comprensione di fenomeni ancora sconosciuti nel campo della fisica delle particelle. Entrambi i progetti rappresentano percorsi innovativi nella ricerca sulla fisica delle particelle, ma possono essere orientati verso scopi di ricerca leggermente diversi. La scelta tra FCC e CLIC dipenderà principalmente dalle priorità scientifiche e dalla direzione generale della ricerca nel campo della fisica delle particelle al CERN». Il costo di FCC si aggirerebbe intorno ai 30 miliardi di franchi, per il via libera ci vorranno anni (forse il 2028).

Dove possono portarci queste ricerche? «Non lo sappiamo, ci si basa sulle conoscenze attuali per capire dove vale la pena spingersi ignorando cosa troveremo. Ma questa è la bellezza della fisica fondamentale», spiega il fisico Gian Francesco Giudice che ha appena pubblicato il libro "Prima del Big Bang" (Rizzoli). «In questo momento lo scopo è andare a esplorare la natura a distanze ancora più piccole che, secondo la meccanica quantistica, equivalgono ad energia più grande. Andando in profondità si spera di capire quali sono i principi che governano la natura. E abbiamo via via scoperto che sono poche leggi fondamentali a governare tutti i fenomeni dell’universo, e sono di una straordinaria semplicità». Cercando l’infinitamente grande nell’infinitamente piccolo, qui al Cern si sono aperti orizzonti inimmaginabili. «Per capire i profondi misteri dell’universo abbiamo bisogno di tecnologie sempre più avanzate, lungo la strada si fanno scoperte utilissime dal punto di vista pratico che non potrebbero mai essere raggiunte con una pianificazione diretta soltanto all’applicazione. Qualche esempio: i protocolli che sono alla base del web sono stati inventati dai fisici del Cern per condividere più velocemente le loro osservazioni. O il touchpad». E altre tecnologie messe a punto qui sono state applicate in campo medico, come i piccoli acceleratori di particelle robotizzati usati per il trattamento radioterapico dei tumori. «Tutte le scoperte vengono messe dal Cern a disposizione della comunità, gratuitamente. E le risposte alle sfide che ci aspettano, a cominciare dal cambiamento climatico, verranno dalla scienza».