Il futuro della fisica delle particelle è in Cina?

Abbiamo già un acceleratore di particelle in grado di accelerare protoni a 14 TeV, è letteralmente mostruoso, un concentrato della miglior tecnologia terrestre, e il Conseil européen pour la recherche nucléaire, CERN per gli amici, manda avanti le ricerche che si fanno lì. Collaborazioni internazionali investono in questa struttura per fare quella che viene chiamata fisica delle alte energie, cercando di comprendere il mondo infinitamente piccolo delle particelle. Bene, all’orizzonte si profila un oggetto ancora più potente: il CEPC a Pechino.

Cos’è il CEPC?

Il Circular Electron-Positron Collider, per ora, è un Conceptual Design Report, un’idea in via di realizzazione. L’istituto per la fisica delle alte energie di Pechino vuole sviluppare un acceleratore di particelle che faccia scontrare elettroni e positroni. L’anello in cui accelerare queste particelle grazie a dei campi elettromagnetici sarà lungo 100 km, un’impresa che sembra quasi impossibile. Barry Barish, premio Nobel del del Caltech, tuttavia, sostiene che in Cina abbiano il know how necessario, anche se ci sarà bisogno di qualche partnership internazionale, prevalentemente per i magneti superconduttori.

Ad LHC vengono accelerati protoni. A CEPC vogliono far collidere, invece, elettroni e positroni, come mai?

Parliamo prima dei pro. I protoni accelerati ad LHC non sono particelle elementari: sono formati da quark. La loro struttura non è per niente semplice e ad oggi non riusciamo ad averne una conoscenza adeguata. Quando due protoni si avvicinano molto non interagiscono più come una singola entità, ma interagiscono i quark al loro interno. Il risultato? Non riusciamo a controllarli molto bene e vengono prodotti molti “scarti” che non ci interessano. Gli elettroni, invece, sono particelle elementari. Non hanno una sottostruttura e possiamo controllarli meglio, riuscendo a diminuire di molto i fondi e a riconoscere meglio eventi che stiamo cercando.

E perché non accelerano elettroni anche ad LHC, allora? Il motivo è un particolare processo di nome bremsstrahlung. Questo processo fa sì che, quando una particella viene curvata (o accelerata in qualsiasi modo) perda una parte della sua energia, con un andamento che va come l’inverso del quadrato della massa. In parole povere: se curvo due particelle, una con una massa pari ad un decimo dell’altra, la seconda perderà cento volte più energia della prima. Gli elettroni, quindi, avendo una massa pari a circa 1/2000 volte quella del protone, perdono 4.000.000 volte più energia, più di quanta sia possibile fornirgli con la tecnologia del CERN.

A CEPC, infatti, l’energia che si vuole raggiungere sarà di 240 GeV, circa 60 volte più piccola di quella di LHC.

Cosa vogliono trovare a CEPC?

In realtà, ad ora, l’obiettivo non è scoprire nuove particelle, CEPC si profila come una Higgs Factory: un acceleratore in grado di produrre moltissimi bosoni di Higgs, in modo da poter fare misure accurate sulla particella scoperta ad LHC nel 2012. Dato che i collisori elettrone-positrone sono molto più “puliti” di quelli protone-protone sarebbe molto più facile misurare le proprietà dell’Higgs. Nonostante si abbia accesso ad energie molto più alte (e quindi a particelle più pesanti), quindi, in LHC cercare una particella particolare è come cercare un ago in una enorme discarica all’aperto, a CEPC sarebbe come cercarlo in un piccolo pagliaio.

CEPC potrebbe diventare realtà attorno al 2027, ma staremo a vedere. Ad ora all’istituto di Pechino hanno anche pensato ad una fase due, in cui, una volta presi tutti i dati del caso con elettroni e positroni, si potrebbero utilizzare dei protoni, arrivando fino a 100 TeV, quasi dieci volte l’energia di LHC. Una sfida tecnologica senza pari, bisogna dire. Vedremo se tutta la fisica delle alte energie si sposterà in Cina oppure rimarrà salda in Europa, dove è nata e cresciuta.