Il progetto del CERN sull’acceleratore di particelle più grande al mondo: cosa sappiamo su FCC

Il Future Circular Collider (FCC) è un enorme progetto, destinato a succedere al Large Hadron Collider (LHC), di cui il CERN di Ginevra sta valutando la fattibilità: se verrà approvato sarà l'acceleratore (o meglio il collisore) di particelle più grande al mondo, con un tunnel circolare di 91 km posizionato a circa 200 metri di profondità nel sottosuolo di Ginevra. Per confronto, il più grande acceleratore al mondo è attualmente LHC, sempre al CERN, dove per la prima volta è stato rilevato il bosone di Higgs, il cui anello ha una circonferenza di “soli” 27 km. Il nuovo FCC potrà raggiungere energie fino a 100 TeV (teraelettronvolt), oltre 7 volte il valore massimo raggiungibile da LHC (14 TeV). La necessità di un acceleratore più grande e potente deriva dal fatto che la fisica contemporanea è ancora disseminata di domande irrisolte a cui LHC non è in grado di risolvere, per le quali occorrono energie più elevate di quelle che siamo in grado di raggiungere oggi.

Come sarà fatto il Future Circular Collider

Il progetto per il Future Circular Collider prevede inizialmente un collisore di elettroni (FCC-ee) che, a seguire, diventerebbe un collisore di adroni (FCC-hh), nella fattispecie protoni. Se lo studio di fattibilità (che durerà fino al 2025) dovesse dare esito positivo, il progetto potrebbe essere approvato e costruito dopo il 2035. I primi fasci di elettroni di FCC-ee potrebbero diventare operativi nel 2045, mentre FCC-hh entrerebbe in funzione attorno al 2070.

Il nuovo acceleratore sarà posizionato vicino a LHC in modo da poter sfruttare l'energia del Large Hadron Collider e ricevere le particelle da quest'ultimo in modo da accelerarle ulteriormente. Come per LHC, anche FCC dovrà sottostare ai rigorosi vincoli idrogeologici dell’area di Ginevra.

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Gli obiettivi e le motivazioni di FCC

Se approvato, FCC diventerebbe uno degli strumenti più completi ed efficienti per aiutare a risolvere alcune delle questioni aperte della fisica contemporanea. Dalla scoperta del bosone di Higgs, molte domande rimangono ancora aperte: che ruolo ha avuto il bosone di Higgs durante il Big Bang? Come ha influenzato l’Universo? Come riusciamo a spiegare la materia oscura o l’eccesso della materia rispetto all’antimateria?

Alcuni scenari suggeriscono l’esistenza di particelle più pesanti e nuove rispetto a quelle a oggi conosciute e identificate. E per studiare l'esistenza di queste particelle serve un acceleratore più potente ed energetico di LHC. Altri scenari suggeriscono l’idea di particelle più leggere, la cui rilevazione richiederebbe enormi quantità di dati ed altissima sensibilità. Migliorando precisione, sensibilità ed energia, il programma di ricerca di FCC si prefigge lo scopo di esplorare questi nuovi orizzonti.

Per fare questo sono state confrontate varie opzioni fra acceleratori lineari e circolari. A causa della leggerezza del bosone di Higgs e della mancata presenza di nuove particelle elementari in LHC, per FCC si è scelto un acceleratore circolare con luminosità più elevata, che collida inizialmente elettroni e successivamente protoni.

Inoltre, il progetto di FCC rafforzerebbe la leadership europea nella ricerca del XXI secolo. Lo sviluppo tecnologico e le competenze trasversali necessarie per realizzare quest’opera arrivano da più di 150 università, istituti di ricerca e partner industriali da più di 30 paesi. Le tecnologie sempre più spinte dovranno tener conto anche della sostenibilità energetica e dell’economia circolare in tutte le fasi di vita dell’acceleratore.

I numeri di FCC: dimensioni, energia e costi

Il tunnel circolare lungo 90,7 km dovrebbe essere situato fra 180 e 400 m di profondità.

Si vorrebbero raggiungere più di 350 GeV di energia nelle collisioni fra elettroni e circa 100 TeV di energia nelle collisioni fra protoni, ben otto volte l’energia che si riesce a concentrare attualmente durante le collisioni di protoni di LHC. Come per LHC, consisterà in 8 punti di accesso e ospiterà 4 grandi esperimenti sotterranei.

Il progetto intero costerà circa 15 miliardi di CHF distribuiti in un periodo di 15 anni. Il solo tunnel costerà circa un terzo del totale e si stimano circa 16,4 millioni di tonnellate di materiale scavato in 5 anni.

Durante il funzionamento, si stima un consumo di potenza elettrica che va da 1 a 1,8 TWh all’anno. Per quanto riguarda il consumo di acqua si parla di circa 3 millioni di metri cubi d’acqua all’anno, pari al valore attuale impiegato per LHC.