Fisica, la sfida del Muon Collider: un enorme potenziale per nuove scoperte e misure di precisione

La rivista scientifica Nature Physics ha appena pubblicato un lavoro dedicato al Muon Collider, l’acceleratore che potrebbe rivelare un enorme potenziale per nuove scoperte e misure di precisione alla frontiera dell’energia, ma la cui realizzazione richiede di superare sfide tecnologiche con studi approfonditi teorici e sperimentali ed ulteriori sviluppi tecnologici (https://www.nature.com/articles/s41567-020-01130-x).
Per studiare e capire l’effettiva possibilità di realizzare questo tipo di acceleratori gli scienziati stanno costituendo una collaborazione internazionale in cui l’Italia, grazie all’esperienza e alle competenze della comunità scientifica INFN, gioca un ruolo strategico. Il progetto si svilupperà attraverso lo studio del complesso di macchine acceleratrici e dell’apparato sperimentale di rivelazione affrontando le sfide tecnologiche più importanti, oggi argomento di ricerca e sviluppo (R&D). Si valuteranno i rischi e i costi per proseguire con un “Conceptual Design Report “ da presentare al prossimo aggiornamento della Strategia Europea della Fisica delle Particelle nel 2027.

“L’acceleratore di muoni è forse il meno costoso ma il più difficile da realizzare di tutti gli acceleratori che sono stati proposti alla Strategia Europea della Fisica delle Particelle” sottolinea Lucio Rossi, capo del gruppo INFN-Accelerator. “Questo è precisamente il motivo per cui è così eccitante per gli scienziati e gli ingegneri degli acceleratori che amano nuove sfide e aprono nuovi percorsi”.

Dagli acceleratori a elettroni e protoni ai collider a muoni

Negli ultimi 50 anni – spiega l’INFN – generazioni di acceleratori e di scienziati hanno indagato con sempre maggiore precisione, e a energie sempre più elevate, i costituenti fondamentali della materia e delle forze che determinano le loro interazioni. La scoperta del bosone di Higgs nel 2012, al CERN con il Large Hadron Collider (LHC), è uno degli esempi recenti del successo di queste macchine. Per poter fare il passo successivo e aumentare in modo significativo l’energia a cui si fanno scontrare le particelle, senza dover costruire macchine di dimensioni molto grandi, serve un importante sviluppo tecnologico che al momento richiede ulteriori studi.

Potrebbe esistere però la possibilità di cambiare paradigma e passare a far scontrare i muoni, particelle diverse da quelle che sono state usate fino ad ora, i protoni e gli elettroni. I muoni sono particelle elementari, simili agli elettroni ma 200 volte più pesanti. Per le loro caratteristiche è possibile immaginare un acceleratore circolare in cui facendo scontrare (collidere) muoni di carica opposta a energie molto elevate, nell’ordine dei multi-TeraElettronvolt, sia possibile superare il limite di scoperta del Large Hadron Collider che invece utilizza protoni.

Grazie agli studi, alle misure sperimentali condotti principalmente negli Stati Uniti, nel Regno Unito e al CERN e all’idea innnovativa di LEMMA (nata ai Laboratori Nazionali di Frascati –LNF- dell’INFN) la Strategia Europea della Fisica delle Particelle, nel giugno scorso, ha raccomandato di formare una collaborazione internazionale per studiare e capire l’effettiva possibilità di realizzare un muon collider che raggiunga le energie del multi-TeraElettronvolt, dimostrandone la potenzialità di misura e di scoperta.

Le principali sfide da affrontare per costruire l’acceleratore a muoni e i suoi rivelatori sono dovute alla breve vita media di queste particelle. È quindi necessario accelerare rapidamente ad alte energie i muoni e avere campi magnetici elevati per mantenere i fasci ad alta intensità, in modo da fornire la luminosità necessaria per lo studio di questi processi fisici. E, poiché i prodotti di decadimento dei muoni costituiscono un rumore di fondo, che può rendere difficile lo studio dei segnali di fisica, è necessario sviluppare un nuovo concetto di rivelatore con un’interfaccia macchina-rivelatore dedicata per mitigare gli effetti negativi.

Una sfida internazionale

“La comunità italiana ha da subito partecipato attivamente a tutti gli studi che hanno permesso di ottenere la recente raccomandazione della Strategia Europea. L’idea innovativa LEMMA sviluppata ai LNF, di una sorgente di muoni prodotti da un fascio di positroni ha stimolato nuovamente l’interesse in Italia ed in Europa” commenta Nadia Pastrone, ricercatrice del Sezione INFN di Torino e responsabile nazionale del progetto Muon Collider. “Oggi siamo fortemente coinvolti nella collaborazione internazionale con un centinaio di fisici ed ingegneri di 13 Sezioni INFN impegnati sugli studi di fisica, sugli sviluppi dei rivelatori e sulla comprensione del fondo di macchina”.

Negli Stati Uniti, durante il processo di aggiornamento della Strategia della fisica delle alte energie “SnowMass”, attualmente in corso, le potenzialità degli acceleratori di muoni alla frontiera dell’energia stanno ricevendo una grande attenzione È stato, infatti, istituito un Muon Collider Forum per aiutare a coordinare le discussioni che spaziano dalla teoria, alle attività sperimentali e agli acceleratori.

“Grazie alla collaborazione con i colleghi americani si portano avanti gli studi sul futuro Muon collider,” commenta Donatella Lucchesi, professoressa dell’Università di Padova e ricercatrice INFN. “Sfruttando le infrastrutture di calcolo INFN è stato possibile sviluppare la simulazione dettagliata del rivelatore e di alcuni processi-chiave di fisica, come i decadimenti del bosone di Higgs, e dimostrare che i risultati attesi sono molto competitivi”.