Cosa porta l'aggiornamento al CERN

Sei anni dopo la scoperta, il bosone di Higgs convalida una previsione. Presto, un aggiornamento a Large Hadron Collider consentirà agli scienziati del CERN di produrre più di queste particelle per testare il modello standard della fisica

Un evento candidato ATLAS per il bosone di Higgs (H) che decade in due quark bottom (b), in associazione con un bosone W che decade in un muone (μ) e un neutrino (ν). (Immagine: ATLAS/CERN)

Scritto da Rashmi Raniwala e Sudhir Raniwala

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Sei anni dopo la scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, i fisici delle particelle hanno annunciato la scorsa settimana di aver osservato il decadimento di questa sfuggente particella. La scoperta, presentata dalle collaborazioni ATLAS e CMS, ha osservato il decadimento del bosone di Higgs in particelle fondamentali note come quark bottom.

Nel 2012, la scoperta del bosone di Higgs, vincitrice del premio Nobel, ha convalidato il modello standard della fisica, che prevede anche che circa il 60% delle volte un bosone di Higgs decadrà in una coppia di quark bottom. Secondo il CERN, testare questa previsione è fondamentale perché il risultato supporterà il Modello Standard, che si basa sull'idea che il campo di Higgs doti di massa i quark e altre particelle fondamentali, o ne scuoterà le fondamenta e indicherà una nuova fisica.

Il bosone di Higgs è stato rilevato studiando le collisioni di particelle a diverse energie. Ma durano solo uno zeptosecondo, che è 0,000000000000000000001 secondi, quindi rilevare e studiare le loro proprietà richiede un'incredibile quantità di energia e rivelatori avanzati. Il CERN ha annunciato all'inizio di quest'anno che sta ottenendo un enorme aggiornamento, che sarà completato entro il 2026.

Perché studiare le particelle?

La fisica delle particelle sonda la natura su scale estreme, per comprendere i costituenti fondamentali della materia. Proprio come la grammatica e il vocabolario guidano (e limitano) la nostra comunicazione, le particelle comunicano tra loro secondo determinate regole che sono incorporate in quelle che sono note come le 'quattro interazioni fondamentali'. Le particelle e tre di queste interazioni sono descritte con successo da un approccio unificato noto come modello standard. L'SM è una struttura che richiedeva l'esistenza di una particella chiamata bosone di Higgs e uno dei principali obiettivi di LHC era la ricerca del bosone di Higgs.

Come vengono studiate particelle così minuscole?

I protoni vengono raccolti in grappoli, accelerati quasi alla velocità della luce e fatti collidere. Molte particelle emergono da tale collisione, definita come un evento. Le particelle emergenti mostrano uno schema apparentemente casuale ma seguono leggi sottostanti che governano parte del loro comportamento. Studiare i modelli nell'emissione di queste particelle ci aiuta a comprendere le proprietà e la struttura delle particelle.

Inizialmente, LHC ha fornito collisioni a energie senza precedenti permettendoci di concentrarci sullo studio di nuovi territori. Ma ora è il momento di aumentare il potenziale di scoperta dell'LHC registrando un numero maggiore di eventi.

(Fonte: CERN)

Quindi, cosa significherà un aggiornamento?

Dopo aver scoperto il bosone di Higgs, è imperativo studiare le proprietà della particella appena scoperta e il suo effetto su tutte le altre particelle. Ciò richiede un gran numero di bosoni di Higgs. L'SM ha i suoi difetti e ci sono modelli alternativi che colmano queste lacune. La validità di questi e di altri modelli che forniscono un'alternativa al MS può essere testata sperimentando per verificarne le previsioni. Alcune di queste previsioni, inclusi i segnali per la materia oscura, le particelle supersimmetriche e altri misteri profondi della natura, sono molto rare e quindi difficili da osservare, rendendo ulteriormente necessaria la necessità di un LHC ad alta luminosità (HL-LHC).

Immagina di provare a trovare una rara varietà di diamanti tra un numero molto elevato di pezzi apparentemente simili. Il tempo impiegato per trovare l'ambito diamante dipenderà dal numero di pezzi forniti per unità di tempo per l'ispezione e dal tempo impiegato per l'ispezione. Per completare questo compito più velocemente, dobbiamo aumentare il numero di pezzi forniti e ispezionare più velocemente. Nel processo, alcuni nuovi pezzi di diamante, finora inosservati e sconosciuti, potrebbero essere scoperti, cambiando la nostra prospettiva sulle rare varietà di diamanti.

Una volta aggiornato, il tasso di collisioni aumenterà e così anche la probabilità degli eventi più rari. Inoltre, discernere le proprietà del bosone di Higgs richiederà la loro copiosa fornitura. Dopo l'aggiornamento, il numero totale di bosoni di Higgs prodotti in un anno può essere circa 5 volte il numero prodotto attualmente; e nella stessa durata, il totale dei dati registrati può essere più di 20 volte.

Con la luminosità proposta (una misura del numero di protoni che attraversano per unità di area per unità di tempo) dell'HL-LHC, gli esperimenti saranno in grado di registrare circa 25 volte più dati nello stesso periodo dell'LHC in funzione. Il raggio nell'LHC ha circa 2.800 grappoli, ognuno dei quali contiene circa 115 miliardi di protoni. L'HL-LHC avrà circa 170 miliardi di protoni in ogni grappolo, contribuendo ad aumentare la luminosità di un fattore 1,5.

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Come verrà aggiornato?

I protoni sono tenuti insieme nel grappolo mediante forti campi magnetici di tipo speciale, formati mediante magneti a quadrupolo. Concentrare il mazzo in una dimensione più piccola richiede campi più forti, e quindi correnti maggiori, che richiedono l'uso di cavi superconduttori. Tecnologie più recenti e nuovo materiale (niobio-stagno) verranno utilizzati per produrre i forti campi magnetici richiesti che sono 1,5 volte i campi attuali (8-12 tesla).

È in fase di sperimentazione la realizzazione di long coil per tali campi. Nuove apparecchiature saranno installate su 1.2 km dell'anello LHC di 27 km vicino ai due principali esperimenti (ATLAS e CMS), per focalizzare e spremere i grappoli appena prima che si incrocino.

Per collegare i convertitori di potenza all'acceleratore verranno utilizzati cavi di cento metri di materiale superconduttore (collegamenti superconduttori) con una capacità di trasportare fino a 100.000 ampere. L'LHC riceve i protoni da una catena di acceleratori, che dovrà anch'essa essere potenziata per soddisfare i requisiti dell'elevata luminosità.

Poiché la lunghezza di ogni mazzo è di pochi cm, per aumentare il numero di urti si produce una leggera inclinazione dei mazzi appena prima degli urti per aumentare l'area effettiva di sovrapposizione. Questo viene fatto usando 'cavità di granchio'.

La comunità di fisica sperimentale delle particelle in India ha partecipato attivamente agli esperimenti ALICE e CMS. L'HL-LHC richiederà un aggiornamento anche di questi. Sia la progettazione che la fabbricazione dei nuovi rivelatori e la conseguente analisi dei dati avranno un contributo significativo da parte degli scienziati indiani.

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