FCC: il collisore del futuro

LHC, con i suoi 27 Km di circonferenza, è il più grande acceleratore al mondo. Fin dai primi giorni del suo avvio, l’acceleratore ha portato grandi risultati confermando la teoria del modello standard, scoprendo nuove particelle e misurando molto precisamente caratteristiche di particelle già note. LHC continua ad essere un ottimo strumento ma è in funzione da ormai 10 anni ed è ora di iniziare ad avere un piano concreto per un nuovo acceleratore. Le speranze risiedono in FCC.

Mentre scrivo questo articolo LHC è in fase di Run. In questo momento 10 m sottoterra nelle lande svizzere, si scontrano protoni ad energie di 13 TeV ad una velocità prossima a quella della luce. Le collisioni proseguiranno quasi ininterrottamente fino la fine del 2025 quando l’acceleratore verrà spento per 3 anni. Questo periodo verrà sfruttato per modificare ed aggiungere nuovi componenti in vista della nuova era di LHC, la fase di “High Luminosity” (Alta Luminosità).

Perché un nuovo acceleratore?

Un acceleratore è descritto da due importanti grandezze: l’energia di scontro e la luminosità. L’energia di scontro è, banalmente, con quanta energia collidono le particelle che circolano all’interno dell’acceleratore mentre la Luminosità è la grandezza che identifica il “quanto spesso” si scontrano.  Considerate che, se una certa interazione (una certa produzione di una particella che si vuole studiare ad esempio) fosse un evento probabile sarebbe già stato scoperto e non è più interessante. Attualmente si va alla ricerca dell’improbabile. Ad LHC si stanno cercando eventi estremamente rari, quindi una luminosità alta è indice di una possibilità maggiore di vedere un tale evento. In altri termini, stiamo cercando l’ago in un pagliaio, se aumentiamo il numero di volte in cui peschiamo alla ricerca dell’ago è più probabile trovarlo, ecco perché aumentare la luminosità è una strategia che, per quanto costosa sia in termini di tempo che di denaro, anche vincente.

Ma non basterà, il problema è che per quanto aumentiamo il numero di pescaggi siamo sempre nel pagliaio. In sostanza la situazione fisica delle interazioni è sempre la stessa stiamo soltanto aumentando il numero di “pescaggi”.  Perciò volendo scoprire qualche cosa di più interessante dell’ago, dobbiamo completamente cambiare strategia. Tutto questo si traduce nel mondo degli acceleratori nell’aumentare  l’energia di scontro delle interazioni ed analizzare eventi al di fuori della portata dell’attuale acceleratore.

Da qui l’idea di costruire FCC (Future Circular Collider), un acceleratore nuovo di zecca legato ad LHC, che si sviluppi per circa 100 Km.

Ciò che si prospetta di fare con FCC è simile a quanto è stato fatto per l’acceleratore attuale: in una prima fase l’anello verrà sfruttato per scontri tra elettroni*, in una seconda fase per collisioni tra protoni.

*Non molti sanno che nell’acceleratore di LHC una volta ruotavano elettroni. L’esperimento di chiamava LEP ed ha portato grandi risultati dal 1989 al 2000.

L’acceleratore

Percorriamo in queste righe il tragitto dei protoni prima dello scontro una volta “creati i protoni” .

Entriamo con loro dentro PS, il primo dei tre acceleratori circolari di LHC. Sentiamo una forza che ci spinge di lato e ci costringe a curvare il nostro percorso , poi veniamo spinti ad accelerare in avanti, poi di nuovo ci spingono di lato, poi in avanti e così via. Stiamo compiendo  un  percorso circolare ed acceleriamo fino a 0.87 la velocità della luce , raggiunta questa velocità veniamo spinti via, ed allontanati da PS per essere reinseriti nel secondo acceleratore circolare: SPS. Ricominciamo ad essere spinti in avanti e di lato, in avanti e di lato. Usciti da SPS siamo pronti per entrare in LHC, dove ruotiamo in una circonferenza di 27 Km accelerando  fino a 0.9999999 la velocità della luce.

Quando gli scienziati sono soddisfatti ci faranno scontrare contro un altro fascio che ha fatto il nostro stesso percorso (ma nell’altro verso) e ci rompiamo. Ci disintegriamo in mille pezzi. Ovviamente non ci hanno fatto scontrare in un luogo a caso. Ci hanno fatto scontrare lì dove avrebbero potuto rilevare il nostro passaggio cioè al centro dei rilevatori. Così gli scienziati e le scienziate sono in grado di studiare le interazioni coinvolte nello scontro analizzando i prodotti dell’impatto.

L’idea per FCC è quella di rendere LHC un elemento della fase iniziale prima della collisione, costruendo un acceleratore nuovo e meraviglioso di 100 Km. L’ipotesi è quella di avere un energia di scontro tra protoni di 100 Tev.

FCC-ee: scontro tra elettroni

Secondo quanto previsto, la prima fase dell’esperimento, sarà incentrata nello scontro tra elettroni. Essendo gli elettroni particelle elementari (o almeno così ritenute per le conoscenze attuali) non si frantumano nella collisione. Ciò che interagisce e che forma lo stato finale sono gli elettroni così come li abbiamo costruiti, con le energie e le velocità che gli abbiamo imposto. Li conosciamo nel dettaglio. Sappiamo tutto di lui e questo aiuterà moltissimo l’analisi e le misure saranno molto più precise.

Purtroppo gli elettroni sono difficili da accelerare perché perdono molta energia. Durante la fase di curvatura. Per mantenere un moto rotatorio le particelle devono curvare la loro rotta, durante questa fase di curvatura entra in gioco un effetto definito di Bremsstrahlung.

 Promettendo al lettore che non lo tedierò con troppe formule vediamone alcune per capire questo effetto:

ΔE (in un’orbita) ∝ (E/M)⁴

La formula ci dice che l’energia persa da una particella che ruota è proporzionale all’energia della particella (cioè l’energia di scontro)  ed inversamente proporzionale alla massa della particella che sta ruotando. Una particella che ruota subirà sempre questo effetto, gli scienziati gestiscono il problema restituendole un po’ di energia ad ogni giro ma se l’energia persa diventasse troppa… be’ c’è poco da fare, continuerebbe a rallentare fino a fermarsi diventando inutile allo scopo.  Quindi per evitare che la particella perda troppa energia durante una rotazione nella circonferenza abbiamo due strade

1. Diminuiamo l’energia di collisione
2. Scegliamo particelle con masse più grandi

Gli elettroni hanno una massa molto più piccola che i protoni 1/1836 della massa del protone perciò la prima fase di FCC sarà caratterizzata da energie di scontro minori. Misure più precise, ma ad energie minori. Ecco perché poi si passerà alla seconda fase dell’esperimento: l’acceleratore verrà svuotato e preparato per accogliere i protoni con cui possiamo permetterci di raggiungere energie di scontro più alte.

FCC-pp: scontro tra protoni

I protoni non sono oggetti elementari, essendo composti da quark di varia natura. Nelle collisioni ad alte energie i protoni si frantumano nelle loro sottostrutture che interagiscono dando vita ai fenomeni che cerchiamo di studiare. Da qui sorge un problema: immaginatevi lo scontro tra due auto, quando bisognerà ricostruire l’evento sarà abbastanza semplice conoscere le velocità delle macchine prima dell’impatto, banalmente si può chiedere ai due conducenti, ma certamente chiedere agli automobilisti coinvolti la velocità con cui lo specchietto dell’auto è volato via a seguito dell’ impatto sarebbe inutile. In pratica conosciamo molto bene ed abbiamo tutte le informazioni dell’oggetto totale prima dell’urto ma non sappiamo molto dei frammenti di questo dopo la collisione.

Non sapere, in fisica si traduce in un’analisi più complicata ed in un errore sulla misura maggiore.

Sempre un po’ più in là

E’ tutto pronto insomma, siamo pronti per ripartire con un nuovo entusiasmante progetto della durata complessiva di 70 anni. Speriamo solo di essere i primi, anche in Cina si prospetta di costruire un nuovo acceleratore di particelle di 100 Km il che leverebbe il primato di LHC come unico e miglior acceleratore al mondo. La schedule dell’acceleratore cinese sembra superare quella di FCC ma, se dobbiamo essere sinceri, mi sembrano fin troppo ottimistici. Quindi non perdiamo la speranza! C’è ancora molto da fare, ancora tanto da scoprire e spazio per giovani ricercatori entusiasti, pronti a lavorare a questo gioiello della tecnologia moderna:  l’anello che qualsiasi scienziato vorrebbe avere.

Federica De Riggi

Laureata in fisica a Roma mi sono specializzata in fisica delle particelle ad alte energie, collaborando con gli esperimenti di LHC. Mi diletto in arti figurative e grafiche e mi diverto sfruttando questa passione per sintetizzare concetti che si astraggono dietro delle formule. Nel mio percorso ho capito che nulla è difficile una volta compreso. Le giuste parole sbloccano un percorso nella mente di chi ascolta e solo percorrendo quel percorso un concetto resterà impigliato addosso. Da qui il potere delle parole.