La prossima macchina del CERN: un balzo in avanti per svelare i segreti dell’universo
Il Large Hadron Collider del CERN ha cambiato la nostra comprensione dell’universo. Ora l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare vuole realizzare un progetto ancora più grande. E gli scienziati e le scienziate lo sostengono unanimi.
Da oltre 70 anni, il laboratorio di ricerca del CERN, alle porte di Ginevra, è il principale centro mondiale nella fisica delle particelle. Si basa sulla collaborazione tra 25 stati membri, dieci stati membri associati e osservatori quali gli Stati Uniti e l’Unione Europea. Ma si fonda anche sulla premessa che alcune domande siano troppo grandi per trovare risposte negli sforzi di un singolo Paese. Sono domande come: di cosa è fatto l’universo? Perché esiste la materia? Cosa accadde negli istanti appena successivi al Big Bang?
La premessa del CERN ha dato i suoi frutti nel 2012, quando gli scienziati e le scienziate che lavoravano al Large Hadron Collider (LHC) hanno annunciato la scoperta del bosone di Higgs. La cosiddetta Particella di Dio conferisce massa alle particelle fondamentali, ovvero i mattoncini più piccoli dell’universo. “Senza il bosone di Higgs non saremmo qui”, spiega Fabiola Gianotti, che è stata per dieci anni, fino a gennaio di quest’anno, la direttrice generale del CERN.
Gli articoli di questa serie analizzano le ambizioni scientifiche e gli sforzi del più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle per rimanere un crocevia internazionale per la comprensione del nostro universo.
Quella scoperta, tuttavia, ha sollevato tante questioni quante ne ha risolte. E ora, mentre LHC sta raggiungendo il limite di quanto possa svelare, il CERN ha in serbo la sua mossa finora più audace: un nuovo acceleratore di particelle, quasi quattro volte più grande di LHC, posto a 200 metri di profondità e destinato a passare sotto il Lago di Ginevra e il fiume Rodano. Ribattezzato Future Circular Collider, o FCC, dovrebbe entrare in funzione negli anni 2040 come il più grande strumento scientifico mai realizzato – nonché il più importante, secondo chi lo ha promosso. Costruirlo dovrebbe costare 15 miliardi di franchi (19 miliardi di $), e la prossima grande sfida per il CERN sarà raccogliere i fondi necessari in un contesto geopolitico frammentato.
“FCC è estremamente importante per il nostro ambito di ricerca, e se c’è qualcuno che può realizzarlo, questo è il CERN”, afferma Maria Spiropulu, collaboratrice del CERN e ricercatrice al California Institute of Technology.
Nuove domande dopo Higgs
“Quando tengo delle presentazioni, scelgo sempre otto o dieci grandi domande ancora aperte nella fisica delle particelle e sempre metà di queste hanno qualcosa a che fare con il bosone di Higgs”, dice Mark Thomson, fisico britannico e nuovo direttore generale del CERN da gennaio. Thomson vuole capire perché le 12 particelle fondamentali hanno masse diverse tra loro e se il bosone di Higgs è esso stesso da considerare una particella fondamentale. Queste non sono domande a cui l’attuale acceleratore LHC possa rispondere con sufficiente precisione.
Altri scienziati sono attratti da misteri ancora più fondamentali. Ben Kilminster, fisico delle particelle all’Università di Zurigo, è affascinato dalla materia oscura . C’è poi il rebus del perché il Big Bang abbia prodotto più materia che antimateria.
“FCC può rispondere al più grande numero di domande attraverso dei test indipendenti”, spiega Kilminster.
>>“Lo strumento più straordinario mai costruito”? Guarda il nostro video su FCC:
Una macchina per il prossimo secolo
In una prima fase, FCC fungerebbe da quella che i fisici e le fisiche chiamano “fabbrica di Higgs”, ovvero una macchina capace di produrre molti bosoni di Higgs in condizioni controllate con precisione. In esso, elettroni e positroni circolerebbero lungo un nuovo anello di 90,7 chilometri di circonferenza – più di tre volte la lunghezza dell’attuale LHC – scavato 200 metri sottoterra.
“Lo scopo principale di FCC è di analizzare il bosone di Higgs in dettaglio e usarlo per esplorare l’universo nelle aree che ancora non capiamo”, spiega Thomson.
In una seconda fase, potenzialmente operativa negli anni 2070, lo stesso tunnel ospiterebbe un acceleratore di protoni capace di far collidere particelle a energie dieci volte maggiori di quelle di LHC. Questa nuova macchina spingerebbe al limite le attuali ipotesi teoriche e potrebbe scoprire nuove, più pesanti particelle. “Si potrebbero generare particelle che hanno circa dieci volte la massa di quelle attuali”, afferma Kilminster.
Uno studio di fattibilità redatto da 1’500 esperte ed esperti e approvato dal Consiglio del CERN ha confermato la fondatezza scientifica del progetto. Lo studio ha valutato gli obiettivi scientifici, la geologia dell’area, i costi e gli impatti ambientali del nuovo acceleratore. Il Gruppo strategico europeo per la fisica delle particelle, che è nominato dal CERN e raggruppa alcuni dei più importanti fisici e fisiche delle particelle europei, ha affermato che FCC è in grado di produrre “il programma di fisica delle particelle ad alta precisione più completo al mondo, con un potenziale eccezionale di generare nuove scoperte”.
Secondo Thomson, c’è “un assoluto e chiaro consenso nella comunità dei fisici delle particelle sul fatto che FCC sia la strada da percorrere”. “Abbiamo vagliato tutte le opzioni e FCC è chiaramente la macchina preferita dal punto di vista scientifico”, afferma.
Oltre la fisica
Se il consenso scientifico attorno a FCC è solido, le implicazioni politiche e sociali di questa macchina sono ancora oggetto di discussione. Il finanziamento dei necessari 15 miliardi di franchi è lontano dall’essere certo, mentre l’opposizione a livello locale sta crescendo. Una rete di associazioni svizzere e francesi, guidata dalla NGO ginevrina Noé21, sta conducendo una campagna incessante contro il progetto. Il consumo di energia elettrica del CERN ammonta già a circa un terzo del totale utilizzato dall’intero cantone di Ginevra e la costruzione del tunnel produrrebbe circa 8 milioni di metri cubi di materiale di scavo.
“Capisco i loro bisogni, ma questo non vuol dire che dobbiamo accettare qualcosa che costerà decine di miliardi e che inquinerà la regione per gli anni a venire,” afferma Jean-Bernard Billeter di Noé21.
Thomson riconosce che questi aspetti non sono ancora stati del tutto chiariti. “Dobbiamo dimostrare che possiamo costruire questa macchina in maniera responsabile dal punto di vista ambientale”, afferma.
Gli scienziati e le scienziate puntualizzano che i benefici delle scoperte fatte al CERN vanno ben oltre il laboratorio stesso. Il CERN è il luogo dove è stato inventato il World Wide Web. Gli acceleratori di particelle hanno prodotto macchine per la radioterapia usate oggi nel trattamento dei tumori. Le sorgenti di luce di sincrotrone ad alta energia, sviluppate al CERN, sono oggi indispensabili per l’analisi di nuovi materiali e lo sviluppo di nuovi farmaci.
La seconda fase di FCC dovrebbe portare progressi nello sviluppo di superconduttori ad alta temperatura per magneti ad alto campo – una tecnologia che troverebbe applicazione diretta nell’imaging medicale e nella fusione nucleare. “Nella fisica delle particelle cerchiamo di raggiungere i limiti dell’impossibile e sviluppiamo le nostre tecnologie ai limiti dell’impossibile e poi, a valle, qualcosa inevitabilmente emerge”, afferma Thomson.
Prima di dare inizio ai lavori su FCC, l’attuale acceleratore del CERN subirà un profondo rinnovamento. Il prossimo 30 giugno, il Large Hadron Collider verrà spento per quattro anni. Lo scopo della macchina aggiornata – nota come High Luminosity LHC, o HiLumi LHC – è di produrre circa dieci volte il numero di collisioni tra protoni rispetto al design originale di LHC. Ciò dovrebbe consentire delle misurazioni molto più dettagliate del bosone di Higgs, inclusa la possibilità di analizzare per la prima volta come il bosone interagisca con se stesso.
I ricercatori e le ricercatrici installeranno nuovi magneti realizzati con materiali superconduttori innovativi, capaci di generare campi magnetici fino a 11,3 tesla, rispetto agli attuali 8,6. Maria Spiropulu del California Institute of Technology ha contribuito allo sviluppo di un nuovo rilevatore del tempo per l’esperimento CMS, in grado di distinguere collisioni che avvengono a soli 30 picosecondi di distanza l’una dall’altra.
L’aggiornamento HiLumi rappresenta, secondo le parole di Thomson, “una nuova era per LHC” – e un ponte scientifico verso il futuro.
A cura di Gabe Bullard e Veronica DeVore/dos
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