Ottobre 7, 2024

Una alternativa: gli acceleratori di Muoni

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Qual é il futuro degli acceleratori di particelle? Basterà costruirne sempre di più grandi o ci sono alternative? La rivoluzione potrebbe venire dai muoni

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.

Comparazione delle dimensioni di un possibile futuro acceleratore di muoni (sulla sinistra) e due esistenti acceleratori (al centro) ILC e CLIC e l’LHC (sulla destra)

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.

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