Che futuro ha la fisica delle particelle?

Siamo forse arrivati al limite di quello che possiamo scoprire senza dover utilizzare energie di oltre un milione di volte maggiori di quelle che usiamo attualmente. forse il modello standard sta dando il fritto ma abbiamo bisogno di andare avanti. Ma come? E con quali prospettive?

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A un livello fondamentale, di cosa è fatto il nostro universo? Questa domanda ha portato avanti la fisica per secoli. Anche con tutti i progressi che abbiamo fatto, non lo sappiamo ancora. Il Large Hadron Collider ha scoperto il bosone di Higgs e completato il modello standard all’inizio di questo decennio, ma la suite completa delle particelle che conosciamo rappresenta solo il 5% dell’energia totale nell’universo.

Non sappiamo cosa sia la materia oscura, ma la prova indiretta della sua presenza è schiacciante. Lo stesso succede con l‘energia oscura. Ma sul perché le particelle fondamentali hanno le masse che hanno, o perché i neutrini non sono senza massa, o perché il nostro Universo è fatto di materia e non di antimateria, siamo ancora in alto mare. I nostri strumenti e ricerche attuali non hanno risposto a questi grandi enigmi esistenziali della fisica moderna. La fisica delle particelle ora è davanti ad un incredibile dilemma: conitnuare a provare, con tutti i limiti tecnologici o arrendersi.

The Standard Model of particle physics accounts for three of the four forces (excepting gravity), the full suite of discovered particles, and all of their interactions. Whether there are additional particles and/or interactions that are discoverable with colliders we can build on Earth is a debatable subject, but one we'll only know the answer to if we explore past the known energy frontier.

Il modello standard della fisica delle particelle rappresenta tre delle quattro forze (eccetto la gravità), la suite completa di particelle scoperte e tutte le loro interazioni. Se ci sono particelle aggiuntive e / o interazioni che sono individuabili con i collisori che possiamo costruire sulla Terra è un argomento di cui si può discutere, ma la risposta òa conosceremo solo se esploreremo oltre la frontiera energetica nota. – PROGETTO DI EDUCAZIONE ALLA FISICA CONTEMPORANEA / DOE / NSF / LBNL

Le particelle e le interazioni che conosciamo sono tutte governate dal modello standard della fisica delle particelle, oltre che dalla gravità, dalla materia oscura e dall’energia oscura. Negli esperimenti di fisica delle particelle, tuttavia, è importante solo il modello standard. I sei quark carichi di leptoni e neutrini, gluoni, fotoni, bosoni di gauge e bosoni di Higgs sono tutto ciò che predice, e ogni particella non è stata solo scoperta, ma ne sono state misurate anche le proprietà.

Di conseguenza, il modello standard è forse vittima del proprio successo. Le masse, gli spin, le vite, le forze di interazione e i rapporti di decadimento di ogni particella e antiparticella sono stati tutti misurati e concordano ogni volta con le previsioni del Modello standard. Ci sono enormi enigmi sul nostro universo e la fisica delle particelle non ci ha dato indicazioni sperimentali su dove o come potrebbero essere risolti.



The particles and antiparticles of the Standard Model have now all been directly detected, with the last holdout, the Higgs Boson, falling at the LHC earlier this decade. All of these particles can be created at LHC energies, and the masses of the particles lead to fundamental constants that are absolutely necessary to describe them fully. These particles can be well-described by the physics of the quantum field theories underlying the Standard Model, but they do not describe everything, like dark matter.

Le particelle e le antiparticelle del modello standard sono state rilevate direttamente, con l’ultimo blocco, il bosone di Higgs, che è caduto all’LHC all’inizio di questo decennio. Le particelle portano a costanti fondamentali che sono assolutamente necessarie per descriverle completamente. Queste particelle possono essere ben descritte dalla fisica delle teorie dei campi quantistici che stanno alla base del Modello Standard, ma non descrivono tutto, come la materia oscura. –  E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA

Potrebbe quindi essere allettante presumere che la costruzione di un collisore di particelle più potente sarebbe un’inutile impresa. In effetti, questo potrebbe essere il caso. Il modello standard della fisica delle particelle ha previsioni esplicite per gli accoppiamenti che avvengono tra le particelleSe è vero che ci sono un certo numero di parametri che rimangono mal determinati al momento, è concepibile che non ci siano nuove particelle che un collisore di prossima generazione potrebbe rivelare.

La particella del modello standard più pesante è il quark top, che richiede circa 180 GeV di energia per essere creata. Il Large Hadron Collider può raggiungere energie di 14 TeV (circa 80 volte l’energia necessaria per creare un quark top), ma potrebbe non esserci nessuna nuova particella da scoprire a meno di non riuscire a raggiungere energie più grandi di 1.000.000 volte. Questa è la grande paura di molti: la possibile esistenza di un cosiddetto “deserto energetico” che si estende per molti ordini di grandezza.

There is certainly new physics beyond the Standard Model, but it might not show up until energies far, far greater than what a terrestrial collider could ever reach. Still, whether this scenario is true or not, the only way we'll know is to look. In the meantime, properties of the known particles can be better explored with a future collider than any other tool. The LHC has failed to reveal, thus far, anything beyond the known particles of the Standard Model.

C’è sicuramente nuova fisica oltre il Modello Standard, ma potrebbe non apparire fino a quando le energie saranno molto, molto più grandi di quelle che un collisore terrestre potrebbe mai raggiungere.Tuttavia, se questo scenario è vero o no, l’unico modo per saperlo è provare. Nel frattempo, le proprietà delle particelle conosciute possono essere esplorate meglio con un collisore futuro rispetto a qualsiasi altro strumento. L’LHC non è riuscito a rivelare, fino ad ora, nulla oltre le particelle conosciute del Modello Standard. –  UNIVERSE-REVIEW.CA

Ma è anche possibile che ci sia una nuova fisica presente su una scala modesta oltre la quale abbiamo già esplorato. Esistono molte estensioni teoriche al modello standard piuttosto generiche, in cui le deviazioni dalle previsioni del modello standard potrebbero essere rilevate da un collisore di nuova generazione.

Se vogliamo sapere qual è la verità sul nostro Universo, dobbiamo guardare, e ciò significa spingere le attuali frontiere della fisica delle particelle in un territorio inesplorato. In questo momento, la comunità scientifica sta discutendo tra più approcci, ognuno con i suoi pro e contro. Lo scenario da incubo, tuttavia, non è che cercheremo e non troveremo nulla: è questa lotta intestina e la mancanza di unità distruggerà per sempre la fisica sperimentale e non otterremo affatto un collisore di nuova generazione.

A hypothetical new accelerator, either a long linear one or one inhabiting a large tunnel beneath the Earth, could dwarf the sensitivity to new particles that prior and current colliders can achieve. Even at that, there's no guarantee we'll find anything new, but we're certain to find nothing new if we fail to try.

Un ipotetico nuovo acceleratore, sia uno lungo lineare che uno installato in un grande tunnel sotto la Terra, potrebbe sminuire la sensibilità alle nuove particelle che i collisori precedenti e attuali possono ottenere. Anche avendolo, non c’è alcuna garanzia che troveremo qualcosa di nuovo, ma siamo sicuri di non trovare nulla di nuovo se non ci proviamo. –  COLLABORAZIONE ILC

Quando si tratta di decidere quale collider costruire dopo, ci sono due approcci generici: un collisore di leptoni (dove elettroni e positroni vengono accelerati e fatti scontrare) e un collisore di protoni (dove i protoni vengono accelerati e fatti scontrare). I collisori di leptoni hanno questi vantaggi:

  • il fatto che i leptoni sono particelle puntuali, piuttosto che particelle composite,
  • Il 100% dell’energia degli elettroni in collisione con i positroni può essere convertita in energia per nuove particelle,
  • il segnale è pulito e molto più facile da estrarre,
  • e l’energia è controllabile, nel senso che possiamo scegliere di sintonizzare l’energia su un valore specifico e massimizzare la possibilità di creare una particella specifica.

I collisori di Leptoni, in generale, sono ottimi per gli studi di precisione e non ne abbiamo avuto uno all’avanguardia dal momento che LEP era operativo quasi 20 anni fa.

At various center-of-mass energies in electron/positron (lepton) colliders, various Higgs production mechanisms can be reached at explicit energies. While a circular collider can achieve much greater collision rates and production rates of W, Z, H, and t particles, a long-enough linear collider can conceivably reach higher energies, enabling us to probe Higgs production mechanisms that a circular collider cannot reach. This is the main advantage that linear lepton colliders possess; if they are low-energy only (like the proposed ILC), there is no reason not to go circular.

Alle varie energie del centro di massa nei collettori di elettroni / positroni (leptoni), vari meccanismi di produzione di Higgs possono essere raggiunti a energie esplicite. Mentre un collisore circolare può ottenere tassi di collisione e tassi di produzione molto più alti di particelle W, Z, H e t, un collisore lineare abbastanza lungo può raggiungere energie più elevate, permettendoci di sondare i meccanismi di produzione di Higgs che un collisore circolare non può raggiungere. Questo è il vantaggio principale dei collisori di leptoni lineari; se sono solo a bassa energia (come l’ILC proposto), non c’è motivo per non farli circolari. – H. ABRAMOWICZ ET AL., EUR. PHYS. J. C 77, 475 (2017)

È molto improbabile, a meno che la natura sia estremamente gentile, che un collisore di leptoni scoprirà direttamente una nuova particella, ma potrebbe essere la soluzione migliore per scoprire indirettamente la presenza di particelle al di fuori del Modello standard. Abbiamo già scoperto particelle come i bosoni W e Z, il bosone di Higgs e il quark top, ma un collisore di leptoni potrebbe produrli in grande abbondanza e attraverso una varietà di canali.

Più eventi di interesse creiamo, più profondamente possiamo sondare il Modello standard. Il Large Hadron Collider, ad esempio, sarà in grado di dire se Higgs si comporta in modo coerente con il modello standard fino a circa il livello dell’1%. In un’ampia serie di estensioni del modello standard, sono previste deviazioni di ~ 0,1% e il futuro collisore leptonico offrirà i migliori vincoli di fisica possibili.

The observed Higgs decay channels vs. the Standard Model agreement, with the latest data from ATLAS and CMS included. The agreement is astounding, and yet frustrating at the same time. By the 2030s, the LHC will have approximately 50 times as much data, but the precisions on many decay channels will still only be known to a few percent. A future collider could increase that precision by multiple orders of magnitude, revealing the existence of potential new particles.

I canali di decadimento di Higgs osservati rispetto all’accordo Modello standard, con gli ultimi dati di ATLAS e CMS inclusi. L’accordo è sbalorditivo e allo stesso tempo frustrante. Entro il 2030, LHC avrà circa 50 volte più dati, ma le precisioni su molti canali di decadimento saranno note solo per pochi punti percentuali. Un futuro collisore potrebbe aumentare quella precisione di più ordini di grandezza, rivelando l’esistenza di potenziali nuove particelle. – ANDRÉ DAVID, TRAMITE TWITTER

Questi studi di precisione potrebbero essere incredibilmente sensibili alla presenza di particelle o interazioni che non abbiamo ancora scoperto. Quando creiamo una particella, essa ha un certo insieme di rapporti di ramificazione, o probabilità che decadrà in una varietà di modi. Il modello standard prevede predizioni esplicite per tali rapporti, quindi se creiamo un milione o un miliardo o un trilione di particelle di questo tipo, possiamo sondare tali rapporti di ramificazione con precisioni senza precedenti.

Se si desiderano vincoli di fisica migliori, sono necessari più dati e dati migliori. Non sono solo le considerazioni tecniche che dovrebbero determinare quale collisore verrà dopo, ma anche dove e come ottenere il personale migliore, la migliore infrastruttura e supporto e dove è possibile creare una forte comunità di fisica sperimentale e teorica.

Ci sono due proposte di classi generali per un collisore di leptoni: un collisore circolare e un collisore lineare. I collisori lineari sono semplici: accelerano le particelle in linea retta e le fanno scontrare al centro. Con la tecnologia di accelerazione ideale, un collisore lineare lungo 11 km potrebbe raggiungere energie di 380 GeV: abbastanza per produrre W, Z, Higgs, o top in grande abbondanza. Con un collisore lineare di 29 km, è possibile raggiungere energie di 1,5 TeV e con un collider di 50 km, 3 TeV, anche se i costi aumentano enormemente per accompagnare lunghezze maggiori.

I raccoglitori lineari sono leggermente meno costosi dei collettori circolari per la stessa energia, perché puoi scavare un tunnel più piccolo per raggiungere le stesse energie e non subiscono perdite di energia a causa della radiazione di sincrotrone, consentendo loro di raggiungere energie potenzialmente più elevate. Tuttavia, i collettori circolari offrono un enorme vantaggio: possono produrre un numero molto maggiore di particelle e collisioni.

The Future Circular Collider is a proposal to build, for the 2030s, a successor to the LHC with a circumference of up to 100 km: nearly four times the size of the present underground tunnels. This will enable, with current magnet technology, the creation of a lepton collider that can produce ~10^4 times the number of W, Z, H, and t particles that have been produced by prior and current colliders.

The Future Circular Collider è una proposta per costruire, negli anni ’30, un successore del LHC con una circonferenza di 100 km: quasi quattro volte più grande delle attuali gallerie sotterranee. Ciò consentirà, con l’attuale tecnologia dei magneti, la creazione di un collisore leptonico in grado di produrre ~ 10 ^ 4 volte il numero di particelle W, Z, H e t prodotte dai collisori precedenti e attuali. – STUDIO DEL CERN / FCC

Mentre un collisore lineare potrebbe essere in grado di produrre da 10 a 100 volte più collisioni di un collisore leptonico della generazione precedente come LEP (dipendente dalle energie), una versione circolare può superarla facilmente: producendo 10.000 volte il numero di collisioni alle energie richieste per crea il bosone Z.

Sebbene i collisori circolari abbiano tassi di eventi sostanzialmente più elevati rispetto ai collisori lineari delle energie rilevanti che producono anche particelle di Higgs, iniziano a perdere il loro vantaggio sulle energie necessarie per produrre quark top e non possono andare oltre, dove i collisori lineari diventano dominanti.

Poiché tutti i processi di decadimento e produzione che si verificano in queste particelle pesanti si ridimensionano in base al numero di collisioni o alla radice quadrata del numero di collisioni, un collettore circolare ha il potenziale per sondare la fisica con molte volte la sensibilità di un collisore lineare.

La FCC-ee proposta, o lo stadio lepton del Future Circular Collider, potrebbe realisticamente scoperto prove indirette per qualsiasi nuova particella accoppiata a W, Z, Higgs o top quark con masse fino a 70 TeV: cinque volte l’energia massima del Large Hadron Collider.

Il rovescio della medaglia di un lepton è un collisore di protoni, che – a queste alte energie – è essenzialmente un collisore gluone-gluone. Questo non può essere lineare; deve essere circolare.

The scale of the proposed Future Circular Collider (FCC), compared with the LHC presently at CERN and the Tevatron, formerly operational at Fermilab. The Future Circular Collider is perhaps the most ambitious proposal for a next-generation collider to date, including both lepton and proton options as various phases of its proposed scientific programme.

La scala del futuro Circular Collider (FCC) proposto, confrontata con l’LHC attualmente al CERN e al Tevatron, già operativa al Fermilab. The Future Circular Collider è forse la proposta più ambiziosa per un collisore di nuova generazione fino ad oggi, comprese opzioni di lepton e protone come varie fasi del suo programma scientifico proposto. –  PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS

C’è davvero un solo sito adatto per questo: il CERN, poiché non solo ha bisogno di un nuovo, enorme tunnel, ma di tutte le infrastrutture delle fasi precedenti, che esistono solo al CERN. (Potrebbero essere costruiti altrove, come un sito in Asia, ma il costo sarebbe più alto che in un sito in cui esistono già infrastrutture come LHC e collettori precedenti come SPS.)

Proprio mentre l’LHC occupa attualmente il tunnel precedentemente occupato dal LEP, un collettore circolare di lepton potrebbe essere sostituito da un collider di protoni circolare di prossima generazione, come il proposto FCC-pp. Purtroppo, non è possibile eseguire simultaneamente un collider di protoni esplorativi e un collisore di lepton di precisione; devi smantellare uno per finire l’altro.

The CMS detector at CERN, one of the two most powerful particle detectors ever assembled. Every 25 nanoseconds, on average, a new particle bunch collides at the center-point of this detector. A next-generation detector, whether for a lepton or proton collider, may be able to record even more data, faster, and with higher-precision than the CMS or ATLAS detectors can at present.

Il rivelatore CMS al CERN, uno dei due più potenti rilevatori di particelle mai assemblati. Ogni 25 nanosecondi, in media, un nuovo grappolo di particelle collide al centro di questo rivelatore. Un rilevatore di prossima generazione, sia per un lepton che per un collisore di protoni, può essere in grado di registrare ancora più dati, più velocemente e con una precisione più elevata rispetto ai rilevatori CMS o ATLAS al momento. – CERN

È molto importante prendere la decisione giusta, poiché non sappiamo quali segreti la natura riserva al di là delle frontiere già esplorate. Passare a energie più elevate sblocca il potenziale per nuove scoperte dirette, mentre andando verso precisioni più elevate e statistiche più grandi potrebbero fornire prove indirette ancora più forti per l’esistenza di nuova fisica.

I collisori lineari della prima fase avranno un costo compreso tra 5 e 7 miliardi di dollari, compreso il tunnel, mentre un collisore di protoni di quattro volte il raggio dell’LHC, con magneti due volte più forti, 10 volte il tasso di collisione e calcolo e criogenia di prossima generazione potrebbe costare un totale di fino a $ 22 miliardi, offrendo un grande salto rispetto al LHC mentre LHC era sopra il Tevatron. Qualcosa potrebbe essere risparmiato costruendo il collettore circolare di lepton e protoni uno dopo l’altro nello stesso tunnel, che essenzialmente fornirebbe un futuro per la fisica delle particelle sperimentali dopo che l’LHC esaurirà la sua utilità alla fine degli anni ’30.

La cosa più importante da ricordare in tutto questo è che non stiamo semplicemente continuando a cercare la supersimmetria, la materia oscura o qualsiasi particolare estensione del Modello Standard. Abbiamo un sacco di problemi e di enigmi che indicano che ci deve essere nuova fisica oltre ciò che attualmente comprendiamo, e la nostra curiosità scientifica ci costringe a cercare. Nella scelta di quale macchina costruire, è fondamentale scegliere la macchina più performante: quella con il maggior numero di collisioni alle energie a cui siamo interessati a sondare.

Indipendentemente da quali progetti specifici la comunità sceglierà, ci saranno dei compromessi. Un collisore lineare di leptoni può sempre raggiungere energie più alte di quelle circolari, mentre uno circolare può sempre creare più collisioni e andare a precisioni più alte. È in grado di raccogliere un numero di dati pari a un decimo di tempo e di individuare effetti più sottili, al costo di una portata energetica inferiore.

This diagram displays the structure of the standard model (in a way that displays the key relationships and patterns more completely, and less misleadingly, than in the more familiar image based on a 4x4 square of particles). In particular, this diagram depicts all of the particles in the Standard Model (including their letter names, masses, spins, handedness, charges, and interactions with the gauge bosons: i.e., with the strong and electroweak forces). It also depicts the role of the Higgs boson, and the structure of electroweak symmetry breaking, indicating how the Higgs vacuum expectation value breaks electroweak symmetry, and how the properties of the remaining particles change as a consequence. Note that the Z boson couples to both quarks and leptons, and can decay through neutrino channels.

Questo diagramma mostra la struttura del modello standard (in un modo che mostra le relazioni e gli schemi chiave in modo più completo e meno fuorviante rispetto all’immagine più familiare basata su un quadrato 4×4 di particelle). In particolare, questo diagramma descrive tutte le particelle nel Modello Standard (inclusi i loro nomi di lettere, masse, spin, mani, cariche e interazioni con i bosoni di gauge: cioè, con le forze forti ed elettrodebole). Descrive anche il ruolo del bosone di Higgs e la struttura della rottura della simmetria elettrodebole, indicando come il valore di aspettativa del vuoto di Higgs rompa la simmetria elettrodebole e come le proprietà delle restanti particelle cambino di conseguenza. Si noti che il bosone Z si accoppia ai due quark e ai leptoni e può decadere attraverso i canali del neutrino. – LATHAM BOYLE E MARDUS DI WIKIMEDIA COMMONS

Avrà successo? Indipendentemente da ciò che troviamo, questa risposta è inequivocabilmente sì. Nella fisica sperimentale, il successo non equivale a trovare qualcosa, come alcuni potrebbero credere erroneamente. Invece, avere successo significa conoscere qualcosa, post-esperimento, che non sapevi prima di aver fatto l’esperimento. Per andare oltre le attuali frontiere, vorremmo idealmente sia un leptone che un collisore di protoni, alle più alte energie e ai tassi di collisione che possiamo raggiungere.

Non c’è dubbio che le nuove tecnologie e gli spin-off verranno da qualsiasi collisore o collisore, ma non è questo il motivo per cui lo facciamo. Stiamo cercando i segreti più profondi della natura, quelli che rimarranno inafferrabili anche dopo che il Large Hadron Collider avrà finito la sua attività. Abbiamo le capacità tecniche, il personale e le competenze per realizzarlo a portata di mano. Tutto ciò di cui abbiamo bisogno è la volontà politica e finanziaria, come civiltà, di cercare le verità ultime sulla natura.

Fonte: Forbes

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