Un influente gruppo statunitense di fisica delle particelle chiede lo sviluppo di un collisore di muoni – Physics World

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Gli Stati Uniti dovrebbero esplorare la possibilità di costruire un collisore di muoni e perseguire una ricerca e uno sviluppo “aggressivi” nelle tecnologie necessarie per tale struttura. Questa è la conclusione di un comitato di alto profilo composto da fisici delle particelle statunitensi e internazionali dopo un anno di incontri per discutere il futuro della ricerca statunitense sulla fisica delle alte energie. Gli scienziati riconoscono, tuttavia, che per costruire un collisore di muoni dovrebbero essere superate notevoli sfide tecniche.

Il potenziale sviluppo di un impianto per muoni fa parte di una visione ventennale per la fisica delle particelle, pubblicata all'inizio di dicembre dal Particle Physics Project Prioritization Panel, o P20 (vedi riquadro sotto). Dal 5 il P2003 si riunisce ogni decennio per valutare progetti di ricerca di fisica di grandi e medie dimensioni. Quindi trasmette le sue raccomandazioni ad agenzie finanziatrici come il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e la National Science Foundation.

Dopo la scoperta del bosone di Higgs nel 2012 al CERN Large Hadron Collider, i fisici delle particelle iniziarono a progettare la costruzione di una cosiddetta fabbrica di Higgs che avrebbe fatto collidere gli elettroni con i positroni per consentire un'indagine più dettagliata delle proprietà del bosone di Higgs e di altre particelle. Alcuni di questi disegni richiedono un tunnel lungo 90 km che faccia collidere per la prima volta gli elettroni con i positroni a metà degli anni 2040 prima di essere riproposto alla fine di questo secolo come una macchina protone-protone da 100 TeV per la ricerca di nuova fisica.

Tuttavia, spostarsi verso queste energie – e potenzialmente anche più elevate – è complicato. A energie prossime a 1 TeV in un acceleratore circolare, gli elettroni perdono molta energia attraverso la radiazione di sincrotrone. Questo non è un grosso problema per i protoni, ma raggiungere energie superiori a 100 TeV richiede un anello ancora più grande di 90 km e probabilmente richiederebbe anche nuove tecnologie. Un’opzione alternativa è quella di far collidere i muoni, cugini degli elettroni che sono 200 volte più pesanti. Dato che i muoni sono molto più pesanti degli elettroni, la perdita di energia sarebbe meno problematica in un collisore di muoni.

Daniel Schulte, responsabile dello studio del Collaborazione internazionale sul collisore di muoni, che non faceva parte del comitato P5, afferma che la radiazione di sincrotrone è “ridotta di un fattore di oltre un miliardo” in un collisore di muoni. "[I muoni] sono interessanti perché potrebbero sostituire [elettroni e positroni] direttamente e avere un collisore di muoni da 10 TeV equivale più o meno ad avere un collisore di protoni da 100 TeV in termini di portata fisica", afferma Schulte, la cui collaborazione comprende più di 60 istituti. , compreso il CERN, che stanno elaborando un progetto per un impianto avanzato per i muoni. Qualsiasi futuro impianto per muoni potrebbe potenzialmente essere molto più compatto e forse più economico da costruire: un collisore di muoni con la stessa portata di un collisore di protoni da 100 TeV si adatterebbe, ad esempio, al sito esistente del Fermilab.

Definendolo “il nostro lancio di muoni”, il comitato P5 afferma che un programma di accelerazione di muoni si adatterebbe all’ambizione degli Stati Uniti di ospitare un importante impianto di collisione internazionale, consentendogli di guidare gli sforzi globali per comprendere la natura fondamentale dell’universo. Il comitato P5 ora raccomanda che gli Stati Uniti costruiscano importanti strutture di prova e dimostrazione per un collisore così avanzato entro il prossimo decennio. Il rapporto raccomanda inoltre che gli Stati Uniti partecipino all’International Muon Collider Collaboration e “assumano un ruolo guida nella definizione di un progetto di riferimento”.

Karsten Heeger, ha detto un fisico dell'Università di Yale che co-presiede il P5 Mondo della fisica che la raccomandazione del collisore di muoni deriva dal desiderio di pensare al futuro a lungo termine della fisica delle particelle negli Stati Uniti, al di là dell’attuale serie di progetti pianificati e in via di sviluppo. Secondo Heeger, questa raccomandazione di ricerca e sviluppo ha generato “molta eccitazione” nella comunità statunitense della fisica delle particelle, in particolare tra gli scienziati più giovani. "Ritengono che essere in grado di portare avanti la ricerca e sviluppo per pensare a un futuro impianto di collisione sia davvero entusiasmante, soprattutto se potessimo ospitarlo negli Stati Uniti", aggiunge.

Sfide da affrontare

Un collisore di muoni, tuttavia, deve affrontare grandi sfide tecniche e passeranno decenni prima che si possa prendere la decisione di costruirne uno. Un problema con i muoni è che decadono in appena 2.2 microsecondi durante i quali avrebbero bisogno di essere catturati, raffreddati e accelerati. "Sta davvero spingendo le frontiere tecniche in tutti gli elementi", afferma Heeger. “Lo sviluppo del magnete, la tecnologia dell'accelerazione, la focalizzazione del raggio; tutte queste cose saranno di fondamentale importanza e dovranno essere migliorate rispetto allo stato attuale delle cose”, aggiunge.

Schulte concorda sul fatto che se non fosse per la durata limitata del muone, un collisore di muoni sarebbe “semplice”. Secondo lui, una delle sfide più grandi sarà lo sviluppo della tecnologia magnetica necessaria. Ad esempio, una volta che i muoni saranno stati prodotti dalle collisioni dei protoni, saranno necessari magneti superconduttori ad alta temperatura per raffreddarli e rallentarli. E questa tecnologia dovrà essere racchiusa in uno spazio ristretto per ridurre la perdita di muoni. Saranno quindi necessari magneti ad alta velocità che possano essere pedalati molto velocemente per accelerare il fascio di muoni.

Il problema è che gran parte di questa tecnologia non esiste ancora o è agli inizi. Nonostante queste sfide, Heeger è fiducioso che si possa costruire un collisore di muoni: “I fisici delle particelle e i fisici degli acceleratori hanno mostrato un’incredibile ingegnosità negli ultimi anni e decenni, e quindi sono ottimista”, dice. Ma anche se una tale struttura non fosse fattibile, lavorare per realizzarla si baserebbe sugli attuali punti di forza degli Stati Uniti nella fisica delle particelle e alimenterebbe miglioramenti nelle strutture per fasci di protoni e neutrini. Probabilmente porterebbe anche ampi benefici alla società, compresa la produzione di isotopi medici, la scienza dei materiali e la fisica nucleare, quindi Heeger ritiene che sarebbe un “investimento ben speso”.

Lo sviluppo di magneti superconduttori ad alta temperatura, ad esempio, avrebbe importanti implicazioni oltre la fisica delle particelle. Potrebbero essere utili per i reattori a fusione nucleare e potrebbero migliorare le prestazioni delle turbine eoliche. Schulte ritiene inoltre che lavorare per un collisore di muoni offrirà vantaggi sostanziali quando si tratterà di formare la prossima generazione di scienziati. "Questo è un grande progetto perché le cose sono nuove, c'è spazio per le invenzioni, per la creatività, lo spirito è molto diverso da un progetto che rifa qualcosa che abbiamo fatto in passato in un modo più grande", aggiunge.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/