Una alternativa: gli acceleratori di Muoni
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Le misure di precisione sono di fondamentale importanza nella validazione degli attuali modelli teorici che la fisica teorica ha partorito in lunghi anni di faticoso lavoro. I risultati raggiunti negli acceleratori di particelle quali, tra tutti, il Cern di Ginevra hanno permesso di confermare le proposte del Modello Standard.
Uno degli ultimi importanti traguardi raggiunti è stato quello di scoprire l’esistenza del bosone di Higgs nel 2012 che è stato l’ultimo tassello per completare il grande schema del Modello Standard, particella la cui esistenza era stata ipotizzata più di 50 anni prima della sua scoperta.
Il Modello Standard è stato oggetto di tantissimi esperimenti e conferme ma lascia ancora aperte alcune fondamentali domande, ad esempio non contempla in alcun modo la descrizione della forza di gravità o perché nell’universo sia presente più materia che antimateria. Per approfondire, quindi, è necessario aumentare l’ energia e la precisione degli attuali acceleratori di particelle. È già in cantiere una proposta che consiste nell’ampliamento della già esistente struttura dell’LHC, ma non è la unica contemplata. Una possibile alternativa sono gli acceleratori di muoni.
È bene richiamare la differenza tra gli acceleratori di particelle attuali e quelli a base di muoni. Gli acceleratori odierni, la cui storia nasce più di cento anni fa per mano di Rutherford, sono basati su collisioni tra elettroni, positroni e protoni. Le scoperte a opera di tali macchine sono di fondamentale importanza. Ricordiamo: la scoperta del quark “charm” nel 1974 a opera dello SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), cruciale per la verifica della QCD, la scoperta del quark “bottom” nel 1977 e di quello top nel 1995. Le energie raggiunte nel corso degli anni sono arrivate fino a circa 13 TeV per la scoperta del bosone di Higgs. Il livello di energia raggiunto è costantemente spostato sempre più in là dalla ricerca tecnologica e ha come scopo l’osservazione di fenomeni mai visti prima.
Perché un acceleratore di muoni?
Uno degli ostacoli maggiori nell’uso dei collider basati su protoni ed elettroni è la presenza della radiazione di sincrotrone: ogni particella carica che si muove su traiettorie circolari emette radiazione elettromagnetica proporzionale all’inverso del quadrato della sua massa. Siccome un protone ha massa di circa 1 GeV e un elettrone di circa 0.5 MeV, comparando le energie perse dalle due particelle, quella dell’elettrone è molto maggiore. Questo è il motivo per cui sono stati costrutiti acceleratori protone-protone perché con essi è più facile raggiungere alte energie.
L’uso dei protoni porta ad una complicazione: tali particelle, in accordo con la QCD, sono composte da sub-particelle chiamati partoni e, in una collisione, l’ energia totale fornita al protone si redistribuisce tra di esse, facendo avvenire le effettive collisioni tra partoni ad una energia minore rispetto a quella fornita al protone dall’acceleratore. A causa di questa natura composita, le collisioni che provengono da protone-protone sono affette da un forte rumore di fondo che fa abbassare il livello di precisione delle misure.
Vantaggi di un acceleratore a muoni
Detto questo è chiaro come un acceleratore di adroni sia più conveniente per raggiungere alte energie mentre un collider di leptoni per fare misure precise. Qui la possibilità per un acceleratore di muoni. I muoni sono più pesanti degli elettroni, hanno una massa di circa 105.7 Mev, motivo per cui avranno, rispetto ai primi, minori problemi di perdita di energia a causa della radiazione di sincrotrone e, essendo particelle puntiformi, avranno disponibile nel centro di massa tutta l’energia fornita dall’acceleratore e un minore rumore di fondo rispetto ad una collisione di particelle composite. Un collider di muoni combinerebbe vantaggi per raggiungere maggiore precisione ed energia nella stessa macchina.
Per eliminare i problemi legati alla radiazione di sincrotrone negli acceleratori odierni, si potrebbero concentrare gli sforzi verso acceleratori lineari. Alcuni prototipi sono già in sviluppo, ad esempio il CLIC (Compact Linear Collider) o il ILC (International Linear Collider) ma, per fare raggiungere alte energie, sarebbero necessari apparati estremamente lunghi.
Difficoltà tecniche
Generalmente i muoni possono essere prodotti in due diversi modi, attraverso il decadimento di pioni o dalla collisione di elettroni e positroni. Se prodotti nel primo modo è facile ottenere fasci ad alta energia ma risulterebbero poco collimati e per fare ciò sarebbero necessarie tecniche di raffreddamento molto articolate. Se invece li producessimo da collisioni di elettroni e positroni potremmo ottenere fasci molto precisi ma a bassa luminosità.
C’è anche un altro inconveniente: i muoni sono particelle instabili che decadono in circa 2 microsecondi e il loro decadimento porterebbe alla produzione di elettroni i quali andrebbero a interferire con gli strumenti e a creare un maggiore rumore di fondo, rendendo le misurazioni meno precise.
Se si riuscisse a superare tutte le difficoltà tecniche nella produzione di queste particelle potremmo avere degli acceleratori che, nello stesso momento, coniugherebbero misure altamente precise e ad alte energie. Ciò ci permetterebbe di raggiungere gli stessi risultati di un canonico acceleratore protone-protone di 100 TeV con circa 30 Tev.
Sono Antonio Sandroni, laureato in Fisica Teorica all’università di Bologna. Attualmente lavoro in una società di Marketing e comunicazione ma la mia vera occupazione è camminare sui ponti che collegano il sapere tecnico-scientifico a quello umanistico, esplorando l’universo tramite la fisica, la poesia e la letteratura, le quali sono vele dello stesso vascello che naviga l’Universo. “Non entri qui chi non è geometra” diceva Platone, perché tutto il sapere è volto a conoscere la geometria e la direzione del cosmo.
