Il progetto del nuovo acceleratore di particelle del CERN prende slancio

Un'illustrazione di come potrebbe apparire il Future Circular Collider (FCC) del CERN. CERN

Le preparazioni per un nuovo, enorme acceleratore di particelle nei pressi di Ginevra si stanno intensificando. Ma il progetto europeo, che spera di dare risposta ad alcune delle più grandi domande della fisica, deve confrontarsi con diversi ostacoli, tra cui la concorrenza cinese.

Nel 2012, scienziate e scienziati del Centro europeo per la ricerca nucleare (CERN) hanno segnato una svolta fondamentale nella fisica con la scoperta del bosone di Higgs, una particella elementare che conferisce massa a tutte le altre. Questo è stato possibile dopo decenni di studio con il Large Hadron Collider (LHC), il più potente acceleratore di particelle del mondo, situato a nord di Ginevra.

Eppure, molte domande fondamentali sull’universo restano aperte: cosa costituisce la materia oscura? Perché le persone, i pianeti, le stelle sono formati da materia e non da antimateria? Perché le masse delle particelle elementari sono tanto diverse fra loro?

La ricerca di risposte a queste e altre grandi domande della fisica richiede un “salto verso energie e intensità più elevate”, afferma il CERN. L’organizzazione vuole ora dunque costruire un acceleratore più potente e preciso dell’LHC, che è stato concepito alla fine degli anni Ottanta e che completerà la sua missione nel 2040.

“Costruiamo questo tipo di macchine per esplorare la natura dell’universo. Si tratta di andare nell’ignoto e di indagare ancora oltre”, dice Mike Lamont, responsabile del CERN per gli acceleratori.

Per questo motivo, in seguito alle richieste della comunità scientifica globale, negli ultimi dieci anni ha preso forma il progetto del Future Circular Collider (FCC).

L’FCC dovrebbe essere circa tre volte più grande dell’LHC. Cern

La costruzione di un tunnel circolare di 91 chilometri, tre volte più lungo dell’attuale LHC, avverrebbe attorno alla città di Ginevra, in territorio sia svizzero che francese, ed il tunnel passerebbe sotto il lago Lemano. Otto siti di ricerca verrebbero costruiti lungo il percorso in superficie, sette in Francia e uno nel canton Ginevra. Stima iniziale dei costi: 11 miliardi di franchi per la prima fase, 21 miliardi in tutto.

All’interno della lunga galleria, le particelle verrebbero accelerate prima di scontrarsi le une con le altre con energie di collisione di 100 teraelettronvolt (TeV) – un aumento di circa 7 volte rispetto all’LHC – e l’esercizio servirerebbe a tentare di  svelare i segreti subatomici meglio custoditi.

Fase esplorativa

Il progetto non ha ancora ottenuto l’approvazione definitiva e, anche se la otterrà, il bottone di accensione non sarà premuto ancora per molti anni. Eppure, l’eccitazione attorno all’FCC è tanta, dice Lamont.

“C’è la sensazione che stia prendendo slancio”, dice, “e c’è entusiasmo da parte di attori europei, a tutti i livelli. C’è davvero una grande spinta”. Attualmente, circa 150 università, istituti di ricerca e partner industriali stanno collaborando al progetto.

Uno studio di fattibilità che dovrebbe terminare nel 2025 è stato lanciato la scorsa primavera e sono in corso valutazioni sul campo. “Stiamo entrando nella fase esplorativa”, spiega Michel Benedikt, responsabile della ricerca per L’FCC. La sua squadra ha individuato il percorso ideale per il tunnel e le potenziali ubicazioni dei siti di superficie che dovrebbero ospitare le infrastrutture di collisione e per gli esperimenti.

Le valutazioni sono svolte in collaborazione con le comunità locali per prevenire ogni potenziale conflitto. “Molte persone pensano che si tratterà di una struttura gigantesca. È vero, ma sarà perlopiù sotterranea”, dice Lamont.

Prevenire meglio che curare

Il CERN si sta impegnando per prevenire eventuali problemi. Sindaci e rappresentanti delle autorità delle località interessate dal futuro acceleratore sono stati così invitati a visitare le attuali strutture del CERN per vedere con i loro occhi come potrebbe essere l’aspetto degli impianti previsti sul loro territorio – e al di sotto di esso.

Il CERN ha condotto studi per valutare l’impatto ambientale della costruzione del nuovo gigantesco acceleratore. Cern

Ricerche sono state svolte dal CERN nella campagna svizzera e in quella francese per raccogliere dati sulla geologia, sulla flora e sulla fauna che potrebbero essere toccate dalla costruzione del mega acceleratore. Studi sismici e trivellazioni inizieranno l’anno prossimo.

“Tutti sono interessati a capire cosa stiamo facendo, e perché. Finora, non abbiamo incontrato nessuna resistenza nessuno ha detto di non volere questo progetto”, dice.

Critiche per costi e dimensioni

Eppure, una certa opposizione è stata espressa, ad esempio, dall’associazione locale Noé21Collegamento esterno, che nell’ottobre del 2022 ha pubblicato un rapporto critico  nel quale mette in questione le dimensioni mastodontiche dell’FCC. Per far posto alla galleria, si legge, sarebbe necessario rimuovere 9 milioni di metri cubici di terreno e il consumo annuale di elettricità del CERN finirebbe per triplicare, fino a raggiungere i 4 terawattora (TWh), più di quanto consumi l’intero sistema di trasporto pubblico svizzero.

Il progetto è criticato anche da voci della comunità scientifica. Ad esempio, Sabine Hossenfelder, fisica teorica al FIAS (Istituto di studi avanzati di Francoforte), teme che questo gigantesco progetto fagociti fondi che potrebbero essere utilizzati per ricerche meno astratte.

“È un’enorme quantità di denaro solo per misurare con più precisione cosa fa una manciata di particelle che si degrada in qualche nanosecondo”, dice. “Non c’è nessuna ragione di pensare che una tale macchina permetta di scoprire alcunché di nuovo”.

I soldi, sostiene, andrebbero piuttosto spesi in ricerche con applicazioni più dirette, come un centro internazionale per le previsioni climatiche o per la modellizzazione delle epidemie.

“Sperperare tutto questo denaro in una disciplina che non ha nessuna rilevanza sociale distoglierà le persone da studi più importanti – si tratta di un intralcio al progresso”.  

Un gigantesco acceleratore spremuto tra Francia e Svizzera

I piani del CERN per l’acceleratore di nuova generazione prevedono due fasi. Nella prima, l’organizzazione propone di costruire un tunnel più grande entro la metà del secolo per far collidere particelle subatomiche, massimizzare la produzione di bosoni di Higgs e capire più in dettaglio le loro proprietà .

Più tardi, la prima macchina sarebbe smantellata e rimpiazzata da un collisore protoni-protoni ancora più potente, che nella seconda metà del secolo potrebbe raggiungere energie di collisione di 100 TeV e permettere ulteriori ricerche. Buona parte della tecnologia di questa futura macchina deve ancora essere sviluppata e nei prossimi decenni sarà oggetto di studi approfonditi.

Le sfide ingegneristiche che pone la costruzione di un acceleratore ancora più grande nella regione densamente popolata del lago Lemano sono immense.

“Scavare sotto il lago è uno dei problemi. Un altro è il calcare delle montagne del Giura e del monte Salève che sovrasta Ginevra”, dice Lamont. Bisogna capire dove sono i luoghi in cui le macchine possono perforare più facilmente la roccia e questo riduce molto le possibili opzioni.

Piano B e concorrenza cinese

La decisione finale degli Stati membri del CERN – 22 Paesi europei e Israele – sull’approvazione del progetto non sarà presa prima del 2028. In caso di luce verde, la costruzione dovrebbe iniziare nel 2038 e la prima fase non comincerebbe prima del 2048. In caso di bocciatura, il CERN ha elaborato progetti per un piano B: un collisore lineare compatto (CLIC) di una lunghezza da 11 a 50 chilometri che, a differenza dell’FCC, potrebbe però eseguire un solo esperimento alla volta.

Il CERN è un centro di ricerca riconosciuto a livello mondiale e pioniere quando si tratta di espandere la conoscenza umana sulla natura del nostro universo. Tuttavia, nei prossimi anni dovrà affrontare una forte concorrenza. Nel 2018, la Cina ha rivelato i piani per un proprio super acceleratore elettroni-positroni lungo 100 chilometri, che potrebbe iniziare gli esperimenti già nel 2030. Al CERN si teme che, con il rapido progresso della Cina, il centro europeo possa essere superato e perdere la posizione di leader nel campo.

“Penso che dobbiamo riconoscere che questo è un pericolo reale. Credo che la Cina stia risalendo la curva di apprendimento in modo molto rapido. Sarebbe sbagliato sottovalutare le sue capacità”, afferma Lamont.

All’interno del CERN c’è però anche chi afferma che questo tipo di sana competizione potrebbe contribuire ad accelerare il lavoro a Ginevra.

“Il piano dell’FCC è ambizioso”, conclude Lamont, con un sorriso nervoso, “ma crediamo che sia possibile realizzarlo. Non è un salto nel buio”.

Traduzione: Zeno Zoccatelli