Autostrade per particelle

Lo studio dell’infinitamente piccolo per capire l’intero Universo è l’obiettivo della fisica delle particelle, la scienza che indaga i segreti di materia ed energia, oltre a cercare tracce dell’esistenza di nuove particelle. Per far questo, si usano gli acceleratori, lunghi tubi estremamente sofisticati, dove queste minuscole unità di materia vengono spinte a velocità altissime e poi fatte scontrare fra loro, allo scopo di ricreare le condizioni estreme per il verificarsi di fenomeni fisici nuovi o previsti solo dalla teoria. Per comprendere meglio queste apparecchiature e la fisica che le governa, ci siamo rivolti ad Andrea Malagoli, dell'Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi (Spin) del Cnr.

“Gli acceleratori hanno una lunga storia: i primi, risalenti agli anni ’30 del Novecento, erano tubi lineari, dove un fascio di particelle veniva fatto scontrare contro un bersaglio. Per indagare strutture sempre più piccole, col tempo è stato necessario raggiungere velocità ed energie sempre maggiori. È così che i fisici hanno adottato una strategia ancora più efficiente: far scontrare due fasci di particelle che viaggiano in direzioni opposte, in modo da aumentare la loro velocità relativa”, spiega il ricercatore. “Per spingersi ancora più in là, nascono gli acceleratori circolari: al loro interno, infatti, potenti campi elettrici accelerano le particelle a ogni giro, spingendole come su una giostra, in un percorso che arriva a centinaia o migliaia di chilometri. Lungo il tragitto il percorso delle particelle viene curvato da particolari magneti, che le costringono a mantenere una traiettoria circolare”.

Il più famoso acceleratore di questo tipo, nonché il più grande, è il Large Hadron Collider (LHC) del Cern: un tubo sotterraneo lungo 27 chilometri, a 100 metri di profondità tra Svizzera e Francia. È qui che nel 2012 è stata osservata per la prima volta una particella fondamentale per la nostra comprensione della materia, il bosone di Higgs, scoperta che è valsa il premio Nobel per la fisica a Peter Higgs e François Englert l’anno successivo.

“All’interno dell’LHC scorrono due fasci di protoni - particelle elementari di carica positiva che compongono il nucleo degli atomi - spinti a viaggiare in direzione opposta. Le particelle vengono accelerate a ogni passaggio; raggiunte le energie di circa 14 teraelettronvolt, che permettono a un protone di raggiungere velocità vicine a quella della luce, sono fatte scontrare all’interno di enormi rivelatori; qui si studia quello che accade nelle collisioni. Per farci un’idea delle grandezze in gioco, se l’energia di un singolo protone è paragonabile a quella di un piccolo insetto in volo, un intero fascio di protoni può raggiungere l’energia di un treno in corsa”, chiarisce Malagoli. “Per evitare rallentamenti a seguito delle collisioni con le molecole dell’aria, il tubo in cui le particelle viaggiano è sottoposto a vuoto spinto. All’interno di LHC gli oltre 1200 magneti superconduttori, realizzati in lega di niobio e titanio, sono inoltre mantenuti a temperature prossime a -271 °C, simili a quelle dello spazio interstellare”.

Quest'ultimo aspetto è molto importante. Tutti gli acceleratori, infatti, si basano sullo stesso principio per cui più elevata è l’energia delle particelle, più intenso deve essere il campo magnetico che le curva. È per questo motivo che per realizzare i magneti si utilizzano i superconduttori, materiali che, a certe temperature, non oppongono resistenza quando attraversati da una corrente elettrica. “I superconduttori possono produrre campi magnetici migliaia di volte più intensi di quello terrestre; ciò consente di mantenere le dimensioni dei magneti molto ridotte rispetto all’utilizzo di conduttori comuni, per esempio il rame, soprattutto in caso di elevate potenze, correnti o campi magnetici”, continua il ricercatore, che conclude: “Oggi LHC è in fase di aggiornamento: magneti più potenti e campi magnetici ancora più forti aumenteranno considerevolmente il numero di urti fra particelle e, quindi, la quantità di dati rilevati. Ma la sfida non finisce qui. Il Cern sta progettando, infatti, il prossimo passo: il Future Circular Collider, un nuovo anello sotterraneo di 100 km di circonferenza, che punta a energie 10 volte superiori a quelle attuali. Un’avventura scientifica cui collabora anche il Cnr, attraverso il contributo del nostro Istituto, dove svolgiamo ricerca e sviluppo di materiali superconduttori innovativi, potenzialmente utili per la generazione di campi magnetici ultra-alti”.

L’evoluzione di conoscenze e tecnologie di questi tubi speciali spingerà la fisica ancora più lontano nella comprensione dell’Universo, permettendo auspicabilmente di rivelare ciò che accade nelle profondità della materia e nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang.

Fonte: Andrea Malagoli, Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi, andrea.malagoli@spin.cnr.it