Gli acceleratori di particelle sono usati come strumenti di ricerca per lo studio dell'universo primordiale. I collisori di adroni (in particolare il Large Hadron Collider LHC del CERN) e i collisori di elettroni e positroni sono in prima linea nell'esplorazione dell'universo primordiale. Gli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC) hanno avuto successo nello scoprire il bosone di Higgs nel 2012. Il collisore di muoni potrebbe essere di notevole utilità in tali studi, tuttavia non è ancora una realtà. I ricercatori sono ora riusciti ad accelerare un muone positivo a circa il 4% della velocità della luce. Questo è il primo raffreddamento e accelerazione di muoni al mondo. Come dimostrazione di concetto, questo apre la strada alla realizzazione del primo acceleratore di muoni nel prossimo futuro.
L'universo primordiale è attualmente studiato dal James Webb Space Telescope (JWST). Dedicato esclusivamente allo studio dell'universo primordiale, il JWST lo fa raccogliendo segnali ottici/infrarossi dalle prime stelle e galassie formatesi nell'universo dopo il Big Bang. Di recente, il JWST ha scoperto con successo la galassia più distante, JADES-GS-z14-0, formatasi nell'universo primordiale circa 290 milioni di anni dopo il Big Bang.
Ci sono tre fasi dell'universo: era della radiazione, era della materia e l'attuale era dell'energia oscura. Dal Big Bang a circa 50,000 anni, l'universo era dominato dalla radiazione. Questa è stata seguita dall'era della materia. L'epoca galattica dell'era della materia che è durata da circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang a circa 3 miliardi di anni dopo il Big Bang è stata caratterizzata dalla formazione di grandi strutture come le galassie. Questa epoca è solitamente definita "universo primordiale" che JWST studia.
"Universo molto precoce" si riferisce alla fase più antica dell'universo subito dopo il Big Bang, quando era estremamente caldo ed era dominato completamente dalla radiazione. L'epoca di Plank è la prima epoca dell'era della radiazione che durò dal Big Bang a 10 all'43 ottobre s. Con una temperatura di 1032 K, l'universo era super-caldo in questa epoca. L'epoca di Planck fu seguita dalle epoche dei Quark, dei Leptoni e del Nucleare; tutte di breve durata ma caratterizzate da temperature estremamente elevate che si ridussero gradualmente con l'espansione dell'universo.
Non è possibile uno studio diretto di questa fase iniziale dell'universo. Ciò che si può fare è ricreare le condizioni dei primi tre minuti dell'universo dopo il Big Bang negli acceleratori di particelle. I dati generati dalle collisioni delle particelle negli acceleratori/collider offrono una finestra indiretta sull'universo primitivo.
I collisori sono strumenti di ricerca molto importanti nella fisica delle particelle. Si tratta di macchine circolari o lineari che accelerano le particelle a velocità molto elevate, prossime alla velocità della luce, e consentono loro di scontrarsi contro un'altra particella proveniente dalla direzione opposta o contro un bersaglio. Le collisioni generano temperature estremamente elevate, nell'ordine di trilioni di Kelvin (simili alle condizioni presenti nelle prime epoche dell'era delle radiazioni). Le energie delle particelle in collisione vengono aggiunte, quindi l'energia di collisione è più elevata e si trasforma in materia sotto forma di particelle massicce che esistevano nell'universo primordiale secondo la simmetria massa-energia. Tali interazioni tra particelle ad alta energia nelle condizioni che esistevano nell'universo primordiale aprono finestre sul mondo altrimenti inaccessibile di quel tempo e l'analisi dei sottoprodotti delle collisioni offre un modo per comprendere le leggi che governano la fisica.
Forse, l'esempio più famoso di acceleratori è il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, vale a dire acceleratori di grandi dimensioni in cui gli adroni (particelle composite composte solo da quark come protoni e neutroni) si scontrano. È il più grande e potente acceleratore al mondo che genera collisioni a un'energia di 13 TeV (teraelettronvolt), che è l'energia più alta raggiunta da un acceleratore. Lo studio dei sottoprodotti delle collisioni è stato molto arricchente finora. La scoperta del bosone di Higgs nel 2012 da parte degli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC) è una pietra miliare nella scienza.
La scala di studio dell'interazione delle particelle è determinata dall'energia dell'acceleratore. Per esplorare su scale sempre più piccole, sono necessari acceleratori di energia sempre più elevata. Quindi, c'è sempre una ricerca di acceleratori ad energia più elevata rispetto a quelli attualmente disponibili per l'esplorazione completa del modello standard della fisica delle particelle e l'indagine su scale più piccole. Pertanto, diversi nuovi acceleratori ad energia più elevata sono attualmente in fase di sviluppo.
L'High-Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) del CERN, che dovrebbe essere operativo entro il 2029, è progettato per aumentare le prestazioni dell'LHC aumentando il numero di collisioni in modo da consentire uno studio più dettagliato dei meccanismi noti. D'altro canto, il Future Circular Collider (FCC) è il progetto di acceleratore di particelle ad alte prestazioni altamente ambizioso del CERN che avrebbe una circonferenza di circa 100 km a 200 metri sotto terra e seguirebbe il Large Hadron Collider (LHC). La sua costruzione dovrebbe iniziare nel 2030 e sarebbe implementata in due fasi: FCC-ee (misurazioni di precisione) sarà operativo entro la metà del 2040 mentre FCC-hh (alta energia) inizierà a funzionare nel 2070. FCC dovrebbe esplorare l'esistenza di nuove particelle più pesanti, oltre la portata dell'LHC e l'esistenza di particelle più leggere che interagiscono molto debolmente con le particelle del Modello Standard.
Quindi, un gruppo di particelle che si scontrano in un collisore è costituito da adroni come protoni e nuclei che sono particelle composite fatte di quark. Questi sono pesanti e consentono ai ricercatori di raggiungere energie elevate come nel caso dell'LHC. Un altro gruppo è costituito da leptoni come elettroni e positroni. Queste particelle possono anche scontrarsi come nel caso del Large Electron-Positron Collider (LEPC) e del collisore SuperKEKB. Un problema importante con il collisore di leptoni basato su elettroni-positroni è la grande perdita di energia dovuta alla radiazione di sincrotrone quando le particelle sono forzate in orbita circolare che può essere superata utilizzando i muoni. Come gli elettroni, i muoni sono particelle elementari ma sono 200 volte più pesanti degli elettroni quindi una perdita di energia molto inferiore dovuta alla radiazione di sincrotrone.
A differenza dei collisori di adroni, un collisore di muoni può funzionare utilizzando meno energia, il che rende un collisore di muoni da 10 TeV alla pari con un collisore di adroni da 100 TeV. Pertanto, i collisori di muoni potrebbero diventare più rilevanti dopo l'High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) per esperimenti di fisica ad alta energia vis-a-vis FCC-ee, o CLICCA (Compact Linear Collider) o ILC (International Linear Collider). Date le lunghe tempistiche dei futuri collisori ad alta energia, i collisori di muoni potrebbero essere solo un potenziale strumento di ricerca nella fisica delle particelle per i prossimi tre decenni. I muoni possono essere utili per la misurazione ultra-precisa del momento magnetico anomalo (g-2) e del momento di dipolo elettrico (EDM) verso l'esplorazione oltre il modello standard. La tecnologia dei muoni ha applicazioni anche in diverse aree di ricerca interdisciplinari.
Tuttavia, ci sono delle sfide tecniche nella realizzazione dei collisori di muoni. A differenza degli adroni e degli elettroni che non decadono, i muoni hanno una breve durata di vita di soli 2.2 microsecondi prima di decadere in un elettrone e neutrini. Ma la durata di vita del muone aumenta con l'energia, il che implica che il suo decadimento può essere posticipato se accelerato rapidamente. Ma accelerare i muoni è tecnicamente difficile perché non hanno la stessa direzione o velocità.
Di recente, i ricercatori del Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) sono riusciti a superare le sfide della tecnologia dei muoni. Sono riusciti ad accelerare un muone positivo a circa il 4% della velocità della luce per la prima volta al mondo. Questa è stata la prima dimostrazione di raffreddamento e accelerazione del muone positivo dopo anni di continuo sviluppo di tecnologie di raffreddamento e accelerazione.
L'acceleratore di protoni al J-PARC produce circa 100 milioni di muoni al secondo. Ciò avviene accelerando i protoni a una velocità prossima a quella della luce e consentendo loro di colpire la grafite per formare pioni. I muoni si formano come prodotto di decadimento dei pioni.
Il team di ricerca ha prodotto muoni positivi con una velocità di circa il 30% della velocità della luce e li ha sparati in aerogel di silice. I muoni hanno permesso di combinarsi con gli elettroni nell'aerogel di silice, dando origine al muonio (una particella neutra, simile a un atomo o pseudo atomo, costituita da un muone positivo al centro e un elettrone attorno al muone positivo). Successivamente, gli elettroni sono stati strappati via dal muonio tramite irradiazione laser che ha dato muoni positivi raffreddati a circa lo 0.002% della velocità della luce. Dopo di che, i muoni positivi raffreddati sono stati accelerati utilizzando un campo elettrico a radiofrequenza. I muoni positivi accelerati così creati erano direzionali perché partivano da quasi zero diventando fasci di muoni altamente direzionali mentre venivano gradualmente accelerati raggiungendo circa il 4% della velocità della luce. Questa è una pietra miliare nella tecnologia di accelerazione dei muoni.
Il team di ricerca prevede di accelerare i muoni positivi fino al 94% della velocità della luce.
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Riferimenti:
- University of Oregon. The Early Universe – Toward the Beginning of Tim. Disponibile su https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Accelerare la scienza – Muon collider. Disponibile su https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Comunicato stampa – Il primo raffreddamento e accelerazione di muoni al mondo. Pubblicato il 23 maggio 2024. Disponibile su https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., et al., 2024. Accelerazione di muoni positivi tramite una cavità a radiofrequenza. Preprint su arXiv. Inviato il 15 ottobre 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
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