il futuro della fisica delle particelle

Siamo una generazione di scienziati molto fortunata. In un intervallo di tempo relativamente breve abbiamo potuto assistere a due importanti scoperte destinate a lasciare il segno nella fisica contemporanea.

La prima è stata la nostra scoperta del bosone di Higgs ad LHC; la seconda la recente rivelazione delle onde gravitazionali. È come se la natura ci avesse offerto due nuovi strumenti di indagine per capire meglio la struttura fine del nostro universo: uno nel mondo delle sue componenti più microscopiche, l’ altro all’ estremo opposto della scala, quello delle strutture gigantesche.

Il bosone di Higgs potrebbe essere il portale per accedere a nuove particelle o nuove interazioni ma, come suggerisce qualcuno, potrebbe anche darci indizi per capire meglio l’inflazione cosmica. È ben noto che una particella scalare che si fosse piazzata nella microscopica fluttuazione quantistica del vuoto da cui è nato il tutto, avrebbe potuto produrre quel potenziale molto speciale che ha dato origine all’ inflazione. L’ Higgs appena scoperto, è il primo scalare fondamentale osservato in natura per ora. Ha giocato un ruolo anche nei primissimi istanti dell’ evoluzione del nostro universo? In quel tempo ridicolmente piccolo, 10-36s in cui un oggetto di proporzioni insignificanti è diventato macroscopico e di dimensioni gigantesche?

Per rispondere correttamente a questa domanda ci sarà bisogno di nuovi studi sull’ Higgs e di una nuova serie di misure di precisione in astrofisica. La speranza segreta è che anche le onde gravitazionali possano presto diventare un nuovo, fantastico strumento di ricerca per fare luce sui primissimi istanti di vita del nostro universo.
Dopo la scoperta del bosone di Higgs stiamo vivendo una sorta di momento magico della fisica. Per un verso abbiamo chiuso un capitolo rimasto aperto per ~50 anni. Ora che abbiamo trovato l’ ultima particella che ancora mancava all’ appello, il Modello Standard delle interazioni fondamentali è ormai completo. Ma già sappiamo che, nel preciso momento in cui celebriamo un altro trionfo di questa teoria, la lista dei fenomeni per i quali il modello non fornisce alcuna spiegazioni è talmente lunga da essere francamente imbarazzante.

Non riusciamo ancora a spiegare la dinamica dell’ inflazione, né si riesce ad unificare in maniera consistente le forze fondamentali, in particolare la gravità. Ci sono totalmente sconosciuti i meccanismi che definiscono masse e gerarchie dei neutrini, per non parlare di materia ed energia oscura. Sappiamo già che prima o poi dovremo abbandonare il Modello Standard come teoria generale, in favore di una nuova e più completa descrizione della natura. La bellezza del nostro lavoro è che questo potrebbe accadere in qualunque momento. Potrebbe succedere domani mattina, se l’ analisi dei nuovi dati di LHC rivelasse un nuovo stato della materia, o potrebbe richiedere anni di sforzo e magari una nuova generazione di macchine acceleratrici.

Per la nuova fisica stiamo seguendo due cammini indipendenti: la ricerca diretta e le misure di precisione. Con LHC che funziona a pieno regime producendo collisioni a 13TeV stiamo entrando in una regione di energia in cui si potrebbero nascondere nuove particelle. Per esempio nella ricerca di particelle supersimmetriche finora abbiamo esplorato fino a ~1TeV ; ora questa ricerca si potrà estendere di un fattore x2 e potremmo avere sorprese in ogni momento.

Il regime di alta luminosità di LHC consentirà di produrre un numero enorme di bosoni di Higgs che potranno essere studiati con grande dettaglio. Per il momento siamo riusciti a misurare solo le caratteristiche principali del “nuovo venuto” e la precisione è ancora grossolana. Il bosone di Higgs è un oggetto molto speciale, che si accoppia a tutte le particelle, comprese quelle, molto massicce, previste in modelli di Supersimmetria o di Extradimensioni. Se queste particelle esistono e sono troppo pesanti per essere prodotte e rivelate direttamente, potrebbero essere “viste” indirettamente mediante la misura di deviazioni negli accoppiamenti previsti per il nuovo bosone scalare. In questo campo la chiave di volta è la statistica: si dovranno produrre decine di milioni di Higgs per migliorare la precisione nella misura dei suoi accoppiamenti al punto da essere sensibili alle anomalie indotte da particelle di altissima massa. Sarà importante anche studiare i decadimenti ultra-rari della nuova particella, anch’essi particolarmente sensibili alla nuova fisica. Occorre però notare che tanto più è pesante l’eventuale nuova particella sconosciuta che interagisce col bosone di Higgs, tanto più piccoli sono gli effetti anomali sulle proprietà dello scalare fondamentale del Modello Standard.

Per questo motivo è tempo di guardare già oltre. È urgente cominciare a pensare alla prossima generazione di macchine acceleratrici. Le prime discussioni su LHC cominciarono a metà degli anni ’80 e la nuova macchina fu terminata nel 2008. Se vogliamo che un nuovo acceleratore cominci le sue operazioni nel 2035-40, grosso modo alla fine della fase di alta luminosità di LHC, il tempo giusto per agire è ora.
Il gruppo dirigente del CERN è stato molto lungimirante a lanciare il gruppo di studio denominato FCC (Future Circular Colliders). Intorno a questa iniziativa, a partire dal 2014, si sta raccogliendo un interesse crescente. Centinaia di fisici ed ingegneri stanno facendo progressi significativi nell’ affrontare i casi di fisica più rilevanti e nel trovare soluzioni alle moltissime sfide tecnologiche che il progetto comporta.

FCC è il progetto giusto per dare la caccia, in maniera sistematica alla nuova fisica. Io personalmente la considero una specie di macchina dei sogni. Si pensa di partire con una opzione FCC-ee, un tunnel da 100km che ospiterebbe una macchina ad alta intensità per elettroni e positroni. Questa specie di Super-LEP produrrebbe, in successione, quantità impressionanti di Z, W, Higgs e Top. Da questa fase si prevede di estrarre le più precise misure dei parametri del Modello Standard che uno possa immaginare per sottoporre a stress tutti gli aspetti della teoria.

Poi si passerebbe ad un collider a protoni da 100TeV, seguendo la stessa cadenza che ha portato LHC ad essere installato nel tunnel di LEP. La nuova macchina permetterebbe di studiare come si comporta il potenziale dell’ Higgs al di fuori di quella posizione di equilibrio stabile che occupa da 13,8 miliardi di anni. Il gigantesco acceleratore permetterebbe di studiare in ogni dettaglio la transizione di fase elettrodebole, questo momento magico nell’ evoluzione del nostro universo che ne ha definito irrimediabilmente la particolare struttura materiale che ci è così familiare. Per la prima volta si potrebbe anche osservare il rarissimo decadimento dell’ H in due bosoni di Higgs e da qui estrarre l’auto-accoppiamento dell’ H con sé stesso: altro parametro fondamentale per controllare e predire l’ evoluzione del suo potenziale. Per non parlare della possibilità di esplorare direttamente nuovi stati dell materia fino a masse di decine di TeV.

La natura potrebbe riservarci sorprese in questo nuovo regime di energia ma non c’ è nulla di garantito. Quello che è certo è che dopo una macchina come FCC la nostra visione della materia e dell’ universo non potrebbe più essere la stessa.