EIC: un investimento per il futuro
Gli USA e la macchina che svelerà i segreti quantistici della natura.
EIC è l’acronimo di Electron-Ion Collider, acceleratore di particelle che verrà costruito nei prossimi dieci anni al Brookhaven National Laboratory (BNL) e che viene considerato un ponte verso la fisica del futuro, in quanto cercherà di provare o confutare le attuali teorie della fisica subnucleare. Il costo stimato per la realizzazione varia tra 1.6 e 2.6 miliardi di dollari, per cui sembra lecito chiedersi se il gioco valga veramente la candela.
Quale sarà il guadagno effettivo per la popolazione mondiale dopo aver speso così tanti soldi pubblici cercando di realizzare nuove scoperte in campo scientifico?
La stessa domanda fu posta nel 1850 dal cancelliere William Gladstone a Michael Faraday riguardo i suoi studi sull’elettricità e prontamente Faraday rispose: “Non lo so, signor Ministro. Ma sono certo che troverete il modo di tassarla.”
Oggi conosciamo l’utilità della corrente elettrica e quanto guadagno si trae dalla sua tassazione!
Quali benefici futuri si possono trarre dalla costruzione di un nuovo e innovativo acceleratore di particelle?
Il grande fisico statunitense Leon Lederman ha sottolineato in uno dei suoi libri quanto sia importante la ricerca nel campo scientifico, soprattutto in ambito finanziario. Molti anni fa, era nata l’idea della possibile costruzione negli USA dell’acceleratore di particelle più grande al mondo, idea respinta per l’eccessivo costo e i tempi di realizzazione non in linea con le direttive dello Stato. Poco tempo dopo venne costruito il collisore di particelle LHC al CERN di Ginevra, considerato a tutt’oggi il “microscopio” più potente al mondo, in quanto in grado di accelerare le particelle a una energia molto elevata. Con il passare del tempo l’LHC non solo ha ripagato i costi di costruzione, ma è riuscito a collegare tantissimi centri di ricerca, rendendo l’Europa il continente più prolifico in questo settore scientifico.
Molte delle più importanti rivoluzioni tecnologiche, che siano esse legate alla medicina oppure all’ingegneria, sono dovute a un progresso nel campo della fisica. Basti pensare ai sopra citati studi condotti da Faraday sull’elettricità e sul magnetismo che hanno portato a un cambiamento notevole del nostro stile di vita, oppure alla scoperta dei positroni, le antiparticelle degli elettroni, che vengono utilizzate nel campo della medicina nucleare. E come si può dimenticare la famosissima equazione di Einstein, che ha trovato il suo impiego nella realizzazione della bomba atomica?
La realizzazione dei laser è stata principalmente legata alla scoperta della distinzione in campo quantistico tra particelle con spin semi-intero (fermioni) e con spin intero (bosoni). Oggi i laser trovano largo utilizzo in campo medico, non solo per finalità di correzione estetica in dermatologia, ma anche in oftalmologia, fisioterapia, fototerapia e persino come terapia fotodinamica contro alcuni tipi di tumori. Tutto questo per riassumere che la scienza è uno strumento potente, in quanto è la potenziale leva verso un futuro migliore e, ritornando all’acceleratore di particelle EIC, nessuno scienziato potrà mai dirvi quali scoperte potranno derivarne, ma, guardando alla storia, si può intuire che varrà qualsiasi costo.
Gli scienziati coinvolti nella costruzione di EIC sottolineano che per la realizzazione di tale progetto occorre compiere progressi notevoli in tecnologie che potrebbero essere utili a scopi che vanno oltre il piacere della scoperta fisica in sé. Grazie a tali ricerche si potranno infatti:
• attaccare cellule tumorali;
• produrre radioisotopi per diagnosi e trattamenti;
• creare chip più potenti;
• sviluppare nuove batterie, cellule solari;
• sviluppare nuovi trattamenti medici e medicinali.
Che cosa vuole veramente testare il nuovo acceleratore EIC? Il Modello Standard, cioè una teoria fisica che racchiude tre delle quattro interazioni fondamentali note in natura, ovvero l’interazione elettromagnetica, quella nucleare forte e quella debole. Sebbene da un lato tale modello descriva molto bene alcune dinamiche, dall’altro si pensa che non sia la ‘teoria ultima e definitiva’, soprattutto perché alcuni fenomeni non vengono predetti con la dovuta precisione ma anche perché gli scienziati preferiscono immaginare un universo elegante, la cui teoria descrittiva sia unica, cioè concili le quattro teorie fondamentali note (elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole e gravitazionale).
Qual è la base del funzionamento dell’acceleratore del futuro?
Questo principio di funzionamento è già noto dal secolo scorso grazie agli esperimenti di scattering anelastico profondo di elettroni su nucleoni (protoni o neutroni), i quali permisero di ottenere informazioni sulla struttura nucleare. Mentre gli elettroni possono essere considerati particelle elementari, ovvero senza struttura interna, i nucleoni hanno invece una struttura composita formata dai ‘quark’, particelle fondamentali che “giocano tra loro” all’interno dei protoni e dei neutroni a scambiarsi colore, un tipo di carica simile a quella elettromagnetica. Lo scambio avviene attraverso un mediatore, il cosiddetto gluone (dal termine inglese glue, colla), che fa da collante per le altre particelle all’interno della materia.
L’aspetto più affascinante è che all’interno di queste strutture composte che chiamiamo protoni e neutroni, si producono continuamente coppie di quark, antiquark (antiparticelle dei quark) e gluoni, i mediatori di questo gioco.
Capire perfettamente cosa accada durante la collisione tra particelle è la sfida del nuovo millennio: restano infatti ancora alcune domande a cui rispondere con certezza e che suscitano l’interesse di molti scienziati.
La mia prima domanda è: Quali sono precisamente le strutture interne del protone e del neutrone?
È una domanda che gli scienziati si pongono da anni ormai. In dettaglio, la struttura delle particelle è definita dai cosiddetti ‘fattori di forma’, che descrivono la distribuzione di carica all’interno delle strutture e dipendono dalla scala con cui si guarda la materia. La scala è definita dalla configurazione dell’esperimento: tanto maggiore è l’energia con cui le particelle vengono fatte collidere, tanto più a fondo si investiga nella materia, ovvero tanto più è potente la lente di ingrandimento usata.
Sebbene i fattori di forma elettromagnetici siano stati studiati in diverse configurazioni, i fattori di forma ‘deboli’, che descrivono la struttura delle particelle durante le interazioni deboli, non lo sono del tutto.
È diventato necessario avere una maggiore precisione del fattore di forma assiale, determinante per gli esperimenti di scattering quasi-elastico di neutrini su protoni, che interagiscono tramite la forza nucleare debole. Queste particelle sono veramente elusive, in quanto interagiscono raramente con la materia e solo di recente gli esperimenti di oscillazione di neutrini hanno provato che essi hanno una massa.
Nonostante la loro elusività, i neutrini possono essere la risposta a diversi quesiti cosmologici e nucleari che ci poniamo da tempo: in particolare l’asimmetria tra materia e antimateria.
Secondo la teoria del Big Bang, particelle e antiparticelle furono prodotte in ugual numero, eppure il mondo in cui viviamo sembra essere governato principalmente da materia. Alcuni processi che coinvolgono queste particelle potrebbero spiegare almeno in parte questa asimmetria.
Tutti questi collegamenti hanno suscitato notevolmente la mia curiosità e motivato anche la mia ricerca nel determinare con maggiore precisione il fattore di forma assiale del protone. In particolare andrò a determinare il contributo a tale fattore legato alla produzione di pioni — altre particelle affascinanti — che sembra essere un segnale di sottofondo in tanti esperimenti di scattering quasi-elastico di neutrini su protoni.
Per lo scopo, ho accesso illimitato al supercomputer QPACE3 del SFB/TRR55 finanziato da DFG a Jülich, in Germania, per realizzare simulazioni al computer della teoria quantistica che descrive l’interazione tra quark: la Cromodinamica Quantistica.
Auguratemi buona fortuna.
Di Lorenzo Barca
Ringrazio l’European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme nel quadro del grant agreement Marie Skłodowska-Curie №813942 (EuroPLEx) per il finanziamento ricevuto.
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