Primo passo per la realizzazione di un collisore di muoni

Macchine straordinarie come i collisori di particelle ci svelano i segreti dell’universo. Fin dal 1990 si parla di macchine di dimensioni gigantesche come il Superconducting Super Collider, ideato all’inizio degli anni ottanta dall’US Department of Energy che doveva vedere la luce presso la cittadina di Waxahachie in Texas ma abbandonato non tanto per difficoltà tecniche quanto per via dei costi giudicati sproporzionati.
Fortunatamente i ricercatori del CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle vicino a Ginevra, in Svizzera, hanno realizzato il Large Hadron Collider. Il LHC e altri acceleratori ci hanno consentito di fare molte importanti scoperte, ma queste macchine mastodontiche hanno costi molto elevati e per questo motivo si cercano nuove soluzioni per contenere le spese nei collisori del futuro.
In un articolo pubblicato su Nature, la collaborazione Muon Ionization Cooliment Experiment (MICE) riporta risultati che avvicinano gli scienziati alla realizzazione di una di queste macchine innovative: Il muon collider.
Il muone è una particella elementare con carica elettrica negativa e spin pari a 1/2, caratteristico dei fermioni. Nel modello standard appartiene, come l’elettrone, il tauone e i neutrini, al gruppo dei leptoni. Storicamente è stato catalogato come mesone con il termine di “mesone mu“. È indicato con il simbolo μ? (mentre la sua antiparticella, l’antimuone, è indicato con il simbolo μ+). Ha una massa a riposo di 105,7 MeV/c2, pari a circa 207 volte la massa dell’elettrone.
Dal momento che le sue interazioni sono simili, può essere pensato come un elettrone pesante. Tuttavia, per via della massa, i muoni subiscono un’accelerazione meno intensa quando incontrano un campo elettromagnetico, e quando vengono rallentati emettono una radiazione di bremsstrahlung di minore intensità; sono di conseguenza più penetranti.
Il muone possiede una vita media di 2,2 µs, più lunga di quella degli altri leptoni instabili, dei mesoni e dei barioni (ad eccezione del neutrone).
Proprio la sua massa ha conseguenze per le dimensioni, e quindi il costo dei collettori di particelle del futuro, e per l’energia che può essere raggiunta nelle loro collisioni che ne amplificano quindi il potenziale di scoperta.
L’obiettivo è quello di accelerare le particelle per ottenere scontri alle massime energie possibili, ma le particelle tendono a perdere energia quando le traiettorie che percorrono sono incurvate dai magneti superconduttori degli acceleratori. Le particelle pesanti come protoni e muoni, però, perdono meno energia rispetto al leggerissimo elettrone ed è per questo che i collettori circolari possono raggiungere le energie più elevate usando i protoni.
I protoni, però, non sono particelle elementari ma sono composti da triplette di quark e per questo l’energia disponibile va solo da un sesto a un decimo dell’energia che si ottiene dalle collisioni dei protoni per produrre altre particelle. I muoni invece essendo particelle elementari impiegano tutta la loro energia per produrre altre particelle.
Gli acceleratori di Muoni andrebbero oltre l’utilizzo che gli scienziati fanno degli acceleratori, potrebbero essere utilizzati come “fabbriche di Higgs” cioè per produrre un gran numero di quelle particelle chiamate “Bosone di Higgs” cercando di scoprirne le proprietà in quanto fanno si che la materia esista.
Un acceleratore lineare di protoni capace di creare bosoni di Higgs dovrebbe essere lungo dai 10 ai 20 Km ma se l’acceleratore utilizzasse i muoni e fosse circolare basterebbe un anello di soli 300 metri. Un acceleratore lineare di muoni potrebbe produrre intensi fasci di neutrini, aiutandoci a fare luce su questa particella e sul modello standard della fisica.
Ma è ancora presto per questi acceleratori futuristici che sonderanno, si spera, Higgs e neutrini, i fisici devono ancora imparare a manipolare i fasci di muoni, che si comportano in modo diverso dai fasci di elettroni prodotti con una qualità paragonabile ai fasci laser. I fasci di muoni sono generati attraverso un processo complicato che si traduce in un raggio che ricorda il getto di uno spray.
Questo spray deve essere convertito in un raggio laser. Questa conversione comporta la riduzione della diffusione delle posizioni e delle velocità dei muoni nelle direzioni perpendicolari al raggio. Una temperatura può essere associata a questa diffusione e il raffreddamento del raggio riduce la diffusione. Diverse tecniche di raffreddamento sono utilizzate negli acceleratori odierni, ma nessuna è abbastanza veloce da raffreddare i muoni, che sono instabili e a vita breve.
Esiste però un metodo di nuova concezione per raffreddare i fasci di muoni chiamato “raffreddamento a ionizzazione”. In questo metodo i muoni viaggiano attraverso un acceleratore, una parte del quale contiene un materiale di bassa massa atomica e la diffusione delle posizioni e delle velocità dei muoni viene ridotta quando le particelle ionizzano gli elettroni atomici nel materiale.
L’obiettivo della collaborazione MICE è di costruire e testare un sistema per il raffreddamento a ionizzazione dei muoni, di dimostrare questo raffreddamento per la prima volta e di convalidare gli strumenti di simulazione per la progettazione di sistemi di raffreddamento a ionizzazione.
Gli autori di questo nuovo esperimento hanno utilizzato un fascio di protoni generato dall’acceleratore ISIS presso il Rutherford Appleton Laboratory vicino a Didcot, nel Regno Unito. Il fascio ha colpito un obiettivo per produrre particelle secondarie. Alcune di queste particelle sono decadute in muoni, convogliati in un apparato sperimentale costituito da magneti di messa a fuoco, strumentazione a fascio e una sezione di raffreddamento che conteneva un mezzo di assorbimento di energia costituito da idruro di litio e idrogeno liquido.
Gli esperimenti con acceleratori in genere misurano le proprietà di base di un raggio, come il suo centro di massa, la sua diffusione nelle posizioni delle particelle o il suo profilo di densità. Per dimostrare il raffreddamento della ionizzazione, la collaborazione MICE ha fatto un passo mai fatto prima nell’utilizzare la tecnologia dei rivelatori di collettori per misurare sia le coordinate di input che di output e le velocità di ogni singolo muone che attraversava l’apparato sperimentale. Di conseguenza, gli autori hanno potuto inequivocabilmente dimostrare di aver ottenuto il raffreddamento a ionizzazione dei muoni.
Le organizzazioni scientifiche mondiali stanno progettando nuovi dispositivi che studieranno le alte energie, macchine gigantesche con circonferenze di 100 chilometri o collisori lineari lunghi 50 chilometri. Queste macchine fanno uso di protoni, elettroni o positroni e, pur presentando poche problematiche tecniche insormontabili, potrebbero non andare in porto a causa degli enormi costi di realizzazione.
Ma la ricerca va anche in altre direzioni, verso tecnologie basate sul laser o sul plasma e presto si potranno realizzare collettori compatti a bassa energia combinati insieme per ottenere energie molto più alte con un’alta qualità del fascio. Per questo però serviranno ancora anni di studi e ricerche. La collaborazione MICE, come detto, ha raggiunto lo scopo che si era prefissata, dimostrare il raffreddamento del fascio di muoni è stato l’inizio. Per ora resta il concetto del progetto ma non sappiamo se in futuro avremo un sistema in grado di fare quello che la teoria sostiene.
Quale sarà in futuro l’approccio migliore?
Non sappiamo ancora quale dei progetti sarà in grado di sondare le alte energie, se i fisici un giorno impareranno a raffreddare i fasci di muoni forse in futuro avremo degli acceleratori potenti ma compatti e che non richiederanno un budget enorme. I muoni, a differenza dei protoni offrono collisioni pulite, perdono poca energia quando le loro traiettorie sono piegate dai magneti dell’acceleratore (a differenza degli elettroni). Di conseguenza, un collettore di muoni potrebbe raggiungere energie che corrispondono o superano quelle di un elettrone o di un collettore di protoni, ma che sono sostanzialmente più piccoli. Il lavoro della collaborazione MICE è una pietra miliare sulla strada per sistemi realistici di raffreddamento del muone che un giorno potrebbero portare a fabbriche di neutrini e collettori di muoni.
Fonte: Nature