LHC: A high energy, high luminosity muon-hadron collider at CERN
Questo articolo presenta lo studio di fattibilità e il potenziale scientifico dell'LHC, un proposto collisore muone-adrone ad alta energia e alta luminosità presso il CERN che riutilizza l'infrastruttura dell'LHC per raggiungere energie nel centro di massa fino a 7,5 TeV e offre sinergie uniche con altri grandi progetti di collisori.
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Nel profondo del cuore della fisica delle particelle, gli scienziati cercano costantemente di costruire macchine che possano scagliare minuscole particelle l'una contro l'altra con forza sufficiente per rivelare le regole fondamentali dell'universo. Per decenni, lo strumento più efficace per questo è stato il collisionatore, dove fasci di particelle vengono accelerati a velocità vicine a quella della luce e poi fatti scontrare tra loro. L'attuale campione di questo campo è il Large Hadron Collider al CERN, che fa scontrare protoni per trovare nuove particelle come il bosone di Higgs. Tuttavia, per vedere ancora più a fondo nel tessuto della realtà, i fisici devono far scontrare tipi diversi di particelle. Nello specifico, sono interessati a far scontrare i muoni, che sono cugini pesanti dell'elettrone, contro i protoni. Questa specifica combinazione offre una finestra unica sulla struttura della materia e sulle forze che la tengono insieme, potenzialmente rivelando una fisica che le macchine attuali non possono vedere. La sfida è sempre stata che i muoni sono instabili e decadono molto rapidamente, rendendoli incredibilmente difficili da catturare, raffreddare e accelerare alle alte velocità richieste per una collisione.
Una nuova proposta, dettagliata in uno studio recente di un gruppo di ricercatori noto come HELP4CERN, delinea un piano audace per superare questi ostacoli costruendo un collisionatore muone-protone al CERN. Il team suggerisce una macchina che chiamano LH𝜇C, che riutilizzerebbe gran parte dell'infrastruttura esistente da un proposto collisionatore elettrone-protone, l'LHeC, per creare una struttura capace di far scontrare un fascio di muoni contro un fascio di protoni. Il piano prevede di prendere un fascio di protoni, colpire un bersaglio per creare pioni e poi catturare i muoni risultanti. Invece dei metodi tradizionali usati per raffreddare queste particelle, la proposta si affida a una tecnica più recente sviluppata in Giappone che utilizza un tipo speciale di materiale simile al vetro chiamato aerogel per rallentare i muoni fino a quasi fermarli. Una volta raffreddati, questi muoni ultra-freddi vengono accelerati a energie di uno o due trilioni di elettronvolt e poi iniettati in un anello di accumulo dove collidono con il fascio di protoni da sette trilioni di elettronvolt che circola nel Large Hadron Collider. Questa configurazione creerebbe un'energia di collisione fino a 7,5 trilioni di elettronvolt, un livello di potenza che renderebbe la macchina una fabbrica per la produzione di particelle pesanti come il quark top e il bosone di Higgs con una precisione senza precedenti.
I ricercatori hanno tracciato esattamente come funzionerebbe questa macchina, dalla sorgente dei muoni ai rilevatori che ne registreranno i risultati. Il progetto prevede un sistema in cui i muoni vengono accelerati a stadi, utilizzando un nuovo tipo di acceleratore che mantiene le particelle su un percorso fisso mentre aumentano la loro velocità, prima di essere trasferiti in un anello principale che corre accanto all'attuale anello dei protoni. Quando i fasci finalmente si incontrano, la collisione avverrebbe a un ritmo di quattro milioni di volte al secondo, con il potenziale di produrre un numero sbalorditivo di eventi da studiare per gli scienziati. Il documento suggerisce che anche con una stima conservativa di quanti muoni possano essere prodotti, la macchina sarebbe abbastanza potente da esplorare un vasto nuovo territorio della fisica. Permetterebbe agli scienziati di sondare la struttura interna dei protoni con un livello di dettaglio attualmente impossibile, cercando segni di nuove forze o particelle che giacciono oltre la nostra attuale comprensione.
Oltre alle collisioni stesse, il progetto offre un bonus sorprendente. Mentre i muoni viaggiano attraverso la macchina, decadono naturalmente in neutrini, creando un fascio incredibilmente intenso e focalizzato di queste particelle fantasma. Ciò fornirebbe all'Europa una piattaforma unica e potente per la scienza dei neutrini, permettendo ai ricercatori di studiare queste particelle elusive in modi che non sono possibili con la tecnologia attuale. Lo studio affronta anche le sfide pratiche della costruzione di una tale macchina, inclusi il modo in cui schermare i rilevatori dal rumore di fondo causato dal decadimento dei muoni e come progettare un rilevatore che possa gestire le condizioni uniche di una collisione muone-protone. Sebbene il documento presenti un concetto dettagliato e dimostri che gli obiettivi fisici sono raggiungibili, riconosce che la tecnologia per produrre e accelerare i muoni è ancora in fase di sviluppo e test. La proposta funge da tabella di marcia, dimostrando che con la giusta combinazione di tecnologia esistente e nuove innovazioni, un collisionatore muone-protone ad alta energia potrebbe diventare una realtà, aprendo un nuovo capitolo nella nostra comprensione dell'universo.
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