Stiamo costruendo un acceleratore di particelle che ci dirà cosa tiene insieme la materia

Lo Electron-ion collider dovrebbe essere pronto entro la fine di questo decennio: ci aiuterà a comprendere una delle forze fondamentali della natura.

Oltre un anno fa, il 9 gennaio 2020, il Department of energy statunitense annunciò al mondo di aver selezionato il Brookhaven national laboratory di Upton, nello stato di New York, come sede di una “nuova struttura di ricerca per la fisica nucleare”. Si tratta del cosiddetto Electron-ion collider (Eic), un enorme acceleratore di particelle il cui costo è stimato tra 1,6 e 2,6 miliardi di dollari e che, se tutto andrà per il verso giusto, sarà completato entro la fine di questo decennio.

Oggi ne sappiamo qualcosa di più, anche grazie alla disamina appena pubblicata su The Conversation da Daria Sokhan, fisica sperimentale delle particelle che lavora, per l’appunto, al design di Eic. In breve: lo Electron-ion collider sarà uno strumento che, facendo schiantare gli elettroni contro i protoni e i nuclei atomici degli elementi pesanti cercherà di dirci qualcosa di più sulla cosiddetta forza forte, una delle quattro interazioni fondamentali della natura (le altre sono la forza debole, la forza elettromagnetica e la forza gravitazionale) che tiene insieme protoni e neutroni nei nuclei degli atomi. Quello che speriamo, in sostanza, è che Eic ci aiuti a comprendere come funziona una delle “colle” che mantiene unita la materia e, di fatto, ne garantisce l’esistenza.

Lo schema dello Electron-ion collider

Una lunga storia

Quella di Eic è una storia che ha radici negli anni cinquanta. In particolare nel 1956, quando l’équipe del fisico Robert Hofstadter (premiato con il Nobel nel 1961) si servì dello Stanford Linear Accelerator, un acceleratore di particelle lineare (cioè diritto, a differenza, per esempio, del Large Hadron Collider del Cern, che invece è circolare), per inviare un fascio di elettroni altamente energetici contro un piccolo campione di idrogeno. Fino a quel momento si pensava che protoni e neutroni (le particelle presenti nei nuclei degli atomi) fossero “fondamentali”, ossia non potessero essere scomposti in entità ancora più elementari: Hofstadter e colleghi, in particolare, osservarono una piccola deviazione nel “rimbalzo” degli elettroni che colpivano i nuclei, il che suggeriva, per l’appunto, che protoni e neutroni non erano affatto “punti senza dimensioni”, ma avevano una struttura interna piuttosto complessa.

Oggi sappiamo che protoni e neutroni (che appartengono alla classe degli adroni, nome dato alle particelle pesanti – quelle leggere come gli elettroni appartengono invece alla classe dei leptoni) sono composti di quark, i mattoncini fondamentali della materia, che si tengono insieme grazie alla cosiddetta forza forte, un’interazione mediata dai cosiddetti gluoni (la precedente scelta della parola “colla”, glue in inglese, non era peregrina). La teoria che descrive questo tipo di interazione si chiama cromodinamica quantistica e, pur consentendoci di prevedere alla perfezione il comportamento di quark e gluoni, non ci consente di calcolare analiticamente le proprietà dei protoni: “Non è colpa dei fisici teorici, né dei computer – spiega Sokhan -. Le equazioni della cromodinamica quantistica, semplicemente, non sono risolvibili”.

Sotto esame

È qui che accorrono in aiuto i fisici sperimentali, e in particolare quelli che si servono degli acceleratori di particelle, strumenti in grado di indurre fortissime collisioni tra le particelle, rompendole, e ci consentono così di guardarle in profondità, nelle loro componenti più elementari. Quando si esamina un protone con un cosiddetto collider (un tipo di acceleratore in cui sono fatti correre due fasci di particelle), quello che si osserva dipende criticamente dalle caratteristiche della collisione e dal setup dell’esperimento.

Talvolta il protone si rivela nei tre quark che lo compongono, talaltra appare come un “oceano” di gluoni, altre volte ancora si manifesta sotto forma di un insieme di coppie quark-antiquark (gli antiquark sono le antiparticelle dei quark, identiche a loro eccetto per la carica elettrica e per altre proprietà quantistiche, che sono opposte) che si creano, distruggono e ricreano in tempi infinitesimali. Da qui le domande fondamentali: come e perché si manifestano i quark negli adroni? E perché i protoni hanno una massa, dato che i quark ne sono quasi privi?

L’idea di costruire lo Electron-ion collider nasce proprio per rispondere a queste domande. Lo strumento, che dovrebbe essere operativo a partire dal 2032, sarà una sorta di enorme “microscopio” che consentirà di ingrandire a dismisura i protoni e di mostrare con precisione quel che accade al loro interno. Come suggerisce il suo nome, lo Electron-ion collider utilizzerà un fascio di elettroni ad altissima energia per “sezionare” protoni e nuclei atomici, rendendo manifesti fenomeni appena percettibili, come eventi di diffusione (scattering, in gergo) così rari che avvengono solo una volta ogni miliardo di collisioni. “Studiando questi processi – dice Sokhan – io e i miei colleghi saremo in grado di rivelare la struttura di protoni e neutroni, come si modifica quando sono legati dalla forza forte e come si creano nuovi adroni. Inoltre, potremo scoprire se esiste un tipo di materia formata da soli gluoni, qualcosa che finora non abbiamo mai visto”.

Lo Electron-ion collider consentirà inoltre di selezionare precisamente l’energia del fascio di elettroni, il che, continuando l’analogia con il microscopio, è un po’ come modificarne il livello di ingrandimento: maggiore l’energia, più si guarda in profondità all’interno del protone o del neutrone. Al progetto lavoreranno oltre mille fisici di tutto il mondo, tra i quali anche una novantina di ricercatori dell’Istituto nazionale di fisica nucleare italiano.