L'evoluzione degli acceleratori di particelle e il futuro della fisica

In questo appunto di descrive l'evoluzione del Modello standard della fisica, l’evoluzione degli acceleratori di particelle, progettati dai laboratori più importanti del mondo e che sono stati creati per scoprire ciò che ci circonda.

Evoluzione degli accelerometri

A partire dagli anni Cinquanta del ventesimo secolo, la corsa verso nuove scoperte sulle particelle elementari è stata soprattutto una corsa verso la realizzazione di acceleratori sempre più potenti.
Gli Stati Uniti sfoggiavano il Cosmotron di New York e il Bevatron di San Francisco mentre la Russia rispondeva con il suo laboratorio di Dubna.
La scienza europea annaspava in quegli anni e risentiva della crisi economica causata dalla seconda guerra mondiale. Erano molti gli scienziati europei che lasciavano il proprio Paese per inseguire il sogno di fare ricerca negli Stati Uniti o altrove.
Bisognerà attendere gli anni Settanta affinchè il CERN possa affacciarsi seriamente sul panorama mondiale della fisica delle alte energie ed entrare in diretta competizione con il National Accelerator Laboratory di Chicago.
I primi acceleratori utilizzavano fasci di particelle ad alta energia per frantumare la materia in modo distruttivo: per ridurre la materia in frammenti sempre più piccoli bastava aumentare l’energia d’impatto. Questa prima generazione di acceleratori si dimostrò più che sufficiente per raggiungere tali risultati poichè per allontanare un elettrone da un atomo è richiesta un’energia relativamente piccola dato che gli elettroni sono legati all’atomo da comuni forze elettriche.
Gli stessi acceleratori si dimostrarono validi anche nell’infrangere il ben più duro nucleo i cui protoni e neutroni sono legati tra loro da un collante enormemente più intenso quale la forza forte.
La successiva generazione di acceleratori, tuttavia, doveva raggiungere energie di gran lunga superiori dato che le particelle che i fisici hanno bisogno di analizzare, non esistono spontaneamente in natura e devono quindi essere appositamente create.
Per convertire l’energia in materia è necessario toccare valori molto elevati in termini di elettron-volt, in modo tale che le particelle cercate scaturiscano dal nulla nel momento stesso in cui fasci ad alta energia vengono fatti urtare contro nuclei bersaglio.
Il desiderio di conquistare il primato nella fisica delle alte energie, ha spinto i Paesi con maggiore tradizione e vocazione in questo settore a una vera e propria corsa alla realizzazione della macchina più potente.
Per ulteriori approfondimenti sulla fisica delle particelle vedi anche qua

Problemi degli Stati Uniti “nascosti” al mondo

La fisica statunitense, da sempre all’avanguardia, subì una battuta d’arresto nel momento in cui, nei primi anni Novanta, furono interrotti i lavori di realizzazione del SSC (Superconducting Super Collider).
Il CERN, invece, riuscì a proseguire su un proficuo sentiero che si concretizzò nella costruzione del LEP (Large Electron-Positron Collider) prima e del LHC (Large Hadron Collider) poi.

Situazione attuale del Ventunesimo secolo

Dunque, da un lato queste colossali macchine devono assolvere al loro compito di raggiungere energie sufficientemente elevate per poter creare nuova materia, dall’altro i fisici devono mettere a punto tecniche che consentano di individuare questi neonati addensati particellari. Come riconoscere le nuove particelle? Come distinguerle dalle altre precedentemente create?
Potrebbero essere necessari miliardi di urti e collisioni prima di riuscire a individuare tracce utili e a quel punto inizia la ricerca affannosa di oggetti la cui singolare natura obbliga quasi a dover riformulare il significato stesso del termine esistenza: le loro dimensioni, la durata dei tempi in cui essi si manifestano e il loro modo di interagire rappresentano una manifestazione molto particolare di esistenza.
A volte, come nel caso dei neutrini, bisogna scovare corpi che eludono i rivelatori senza lasciare traccia e la cui presenza può essere testimoniata soltanto dalla diminuzione dell’energia registrata tra gli istanti precedenti l’urto e gli istanti successivi, quando cioè essi lasciano il sistema che si sta analizzando sfuggendo attraverso la materia quasi senza nessuna resistenza da parte di quest’ultima.
A volte cercare una particella equivale a intuire in che modo essa si potrà formare in una collisione, in quali particelle potrebbe decadere, per quanto tempo potrebbe rimanere in vita una volta creata. A volte cercare una particella equivale a cercare qualcosa che non è detto esista.

Ad oggi, rispetto alla situazione della fisica del Diciannovesimo secolo, sappiamo che le cose che non conosciamo sono molto di più delle cose che conosciamo.
Il problema è che gli strumenti inventati per conoscere un fenomeno, all’epoca, venivano studiati tramite degli esperimenti di laboratorio; ad oggi tutto ciò non è possibile, anzi si punta ad utilizzare degli acceleratori sempre più potenti e più grandi.
La domanda che sorge spontanea a questo punto è: ma se gli acceleratori non bastassero a conoscere il resto ancora sconosciuto, se le scale di energia, ancora da scoprire, fossero ben superiori a quelle raggiungibili con gli acceleratori progettabili in quest’epoca ?
Semplicemente, cosa potrebbero scoprire i nuovi acceleratori rispetto a quelli che abbiamo già?
Gli acceleratori potrebbero giungere ad un vicolo cieco.
In realtà, la maggior parte dei fisici si mantiene fiduciosa, anche se la certezza completa non si avrà mai su quello che accadrà in futuro.
I fisici credono che esista una fisica oltre al Modello Standard conosciuto ad oggi, ma qual è il costo per scoprirla ?
Considerando che nell’universo esiste la famosa “materia oscura” provoca molta incertezza sulla definizione di una nuova fisica. Solo il tempo ci farà conoscere quello che avverrà.