Il fatto che siamo qui è uno dei più grandi enigmi della fisica. Siamo fatti di particelle normali come gli elettroni, ma ogni particella di questo tipo ha anche un compagno di antimateria che è praticamente identico a se stesso, ma con la carica opposta. Quando materia e antimateria entrano in contatto, si annientano a vicenda in un lampo di luce.
La fisica suggerisce che materia e antimateria sono state create in quantità quasi uguali nel Big Bang. Allora come mai oggi è rimasta quasi solo materia – perché la materia e l’antimateria non si sono annientate a vicenda per rendere l’universo senza vita? La nostra nuova ricerca ha permesso agli scienziati di costruire un nuovo tipo di acceleratore, basato su particelle chiamate muoni, che potrebbe aiutarci a scoprirlo.
Un muone è quasi identico a un elettrone, tranne che è 207 volte più pesante. Inoltre, decade in altre particelle in due milionesimi di secondo. Questo tempo di vita, anche se breve per noi, è piuttosto lungo per una particella fondamentale instabile, e questo spiega perché i muoni costituiscono quasi tutti i raggi cosmici carichi che raggiungono la superficie terrestre.
Molto della nostra capacità di investigare la struttura della materia alle distanze più brevi dipende dal creare fasci di particelle e accelerarli ad alte energie. Tuttavia ci sono solo quattro particelle stabili che possono essere usate in questo modo, l’elettrone e la sua antiparticella (positrone), e il protone e la sua antiparticella (antiprotone).
Fasci di particelle composti da queste sono stati usati per molti anni, ma entrambe queste coppie hanno degli svantaggi. L’elettrone e il suo partner sono molto leggeri – quando cerchiamo di accelerarli, irradiano energia elettromagnetica. Questo può essere utile per applicazioni come la TV, ma rende difficile raggiungere il tipo di energie di cui abbiamo bisogno per migliorare la nostra comprensione dell’universo.
A differenza degli elettroni, il protone e l’anti-protone sono costituiti da particelle più fondamentali – quark e gluoni. In una collisione tra un protone e un anti-protone sono queste particelle fondamentali che effettivamente si scontrano, dando luogo a uno scontro di energia inferiore a quella che si sarebbe ottenuta se i protoni fossero stati veramente particelle fondamentali.
I muoni sono abbastanza pesanti da irradiare molta meno energia, ma fondamentali (non composti da particelle più piccole) in modo che tutta la loro energia sia disponibile per l’indagine. Quando gli scienziati hanno creato la particella di Higgs, vincitrice del premio Nobel, con i protoni, avevano bisogno di una macchina di 10 km di diametro: il Large Hadron Collider. Una macchina a muoni, invece, potrebbe raggiungere questo obiettivo con una circonferenza di soli 200 metri.
Lo svantaggio dei muoni è che, a differenza di elettroni e protoni, sono instabili e devono essere prodotti e poi utilizzati rapidamente prima che decadano tutti. Possiamo produrre muoni prendendo un fascio stretto e ad alta intensità di protoni e facendolo scorrere in un bersaglio fatto di un metallo, come il titanio. Questo produce un fascio di un’altra particella fondamentale chiamata pione.
I pioni formano un fascio che si espande a ventaglio. Se il fascio di protoni originale assomiglia ad un puntatore laser, il fascio di pioni assomiglia più ad un fascio di torcia – con un’intensità che diminuisce rapidamente con la distanza. I pioni poi decadono per produrre i muoni, il che significa che il fascio si diffonde ancora di più – assomigliando ad una lampadina.
Non possiamo accelerare un tale fascio in una macchina come l’LHC, quindi abbiamo bisogno di creare un fascio che si diffonda molto meno. Questo è impegnativo dato che abbiamo solo due milionesimi di secondo per produrlo, accelerarlo e farlo collidere.
Ma il nostro team di fisici e ingegneri di tutto il mondo – conosciuto come Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) – ha ora dimostrato che è possibile. Abbiamo usato un processo noto come raffreddamento per aiutare a comprimere il fascio. Questo comporta il passaggio dei muoni attraverso un contenitore con idrogeno liquido a -250°C, rallentando le particelle. Poi le abbiamo fatte passare attraverso una cavità elettromagnetica, che ha fatto accelerare il fascio nella direzione desiderata.
Ripetendo questa operazione più volte è possibile creare un fascio che si diffonde molto meno e ha un nucleo denso. Questo fascio può essere iniettato in un acceleratore di particelle per produrre un fascio di muoni ad alta energia. Un tale fascio può essere fatto collidere o lasciato circolare fino a quando i muoni decadono in un intenso fascio di neutrini – molto superiore a qualsiasi fascio di neutrini che può essere prodotto attualmente.
Scoprendo l’universo
In effetti, un fascio di neutrini creato dai muoni fa parte di un progetto di fabbrica di neutrini, che ci permetterebbe di rispondere a molte domande relative all’origine e all’evoluzione dell’universo – come il misterioso squilibrio tra materia e antimateria.
I neutrini potrebbero anche aiutarci a capire i dettagli di come elementi essenziali per la vita come l’ossigeno, il carbonio e il silicio, che si formano nelle stelle, si sono diffusi nell’universo. Questi elementi più pesanti non sono stati prodotti nel Big Bang e tuttavia sono responsabili del pianeta su cui viviamo e di tutta la vita intorno a noi. Sappiamo che le esplosioni di neutrini, che vengono rilasciati nelle esplosioni stellari (supernove), sono responsabili.
Potremmo anche far collidere due fasci di muoni nello stesso modo in cui facciamo collidere i protoni a LHC. I muoni, essendo più semplici dei protoni, permetterebbero una determinazione più precisa delle proprietà della particella di Higgs, per esempio.
Le proprietà del muone lo rendono anche uno strumento prezioso nel campo della fisica dei materiali. La capacità di creare fasci più strettamente focalizzati può migliorare le misure attuali e aprire nuovi metodi diagnostici.
Il nostro metodo può anche essere usato per aiutare ad aumentare l’intensità di qualsiasi altro fascio di particelle cariche. È stato un progetto lungo, durato più di una dozzina d’anni, ma ne è valsa la pena se consideriamo quale potente strumento abbiamo creato.