Cos’è lo SHiP, il nuovo esperimento del CERN per cercare le particelle “fantasma”
Il Centro europeo per la ricerca nucleare (CERN) di Ginevra, il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle, ha approvato un nuovo esperimento chiamato SHiP (acronimo di Search for Hidden Particles) per cercare le particelle “fantasma”, quelle particelle non previste dal Modello Standard (MS) – l’attuale teoria della fisica delle particelle – ma proposte da diverse altre teorie per spiegare fenomeni come la materia oscura e l’espansione dell’Universo.
In pratica, il Modello Standard dice che tutto ciò che esiste è costituito da una particelle elementari, raggruppate in due tipologie principali (fermioni e bosoni), di cui fanno parte i ben noti elettroni, ma anche i quark, il bosone di Higgs, i neutrini e i gluoni. Alcune di queste particelle si combinano per costituire particelle più grandi, ma comunque incredibilmente piccole, che compongono il mondo che ci circonda, ma anche le stelle e le galassie che vediamo nello spazio, mentre altre mediano le interazioni fondamentali.
C’è però un problema: il Modello standard non è considerato completo, in quanto non spiega una serie di fenomeni osservati nella fisica delle particelle, nell’astrofisica e nella cosmologia, come la materia oscura, la misteriosa entità che insieme all’energia oscura sembra costituire il 95% della massa e dell’energia del nostro cosmo. Ciò significa che la maggior parte dell’Universo potrebbe essere costituita da particelle “nascoste”, davvero difficili da individuare perché (se confermate) interagirebbero molto raramente con le particelle che conosciamo. Un po’ come i fantasmi, che potrebbero attraversare ogni cosa senza essere rilevati da alcun dispositivo terreno.
Cosa sono le particelle “fantasma” e come facciamo a trovarle
Con particelle “fantasma”, o meglio, particelle nascoste, si intendono le particelle non ancora conosciute, che potrebbero spiegare una serie di fenomeni irrisolti osservati nella fisica delle particelle, nell’astrofisica e nella cosmologia, come la materia oscura, le oscillazioni dei neutrini e la loro massa, l’asimmetria barionica (l’asimmetria tra materia e antimateria) e l’espansione accelerata dell’Universo.
Per trovarle, il CERN ha recentemente approvato un nuovo esperimento, denominato Search for Hidden Particles (SHiP), che si propone di esplorare il cosiddetto “Hidden Sector”, il settore nascosto, noto anche come settore oscuro, un ipotetico insieme di campi quantistici non ancora osservati e rispettive particelle corrispondenti, dove potrebbe risiedere la spiegazione dei fenomeni non inquadrabili nel Modello Standard.
Come funziona lo SHiP per la ricerca delle particelle nascoste
Lo SHip (Search for Hidden Particles) è un nuovo esperimento per la ricerca delle particelle nascoste che utilizzerà i fasci di protoni ad alta intensità del Super Proton Synchrotron (SPS), un tipo di acceleratore di particelle (sincrotrone) circolare e ciclico del CERN. Nello specifico, lo SHip è un esperimento a bersaglio fisso, composto da due rivelatori situati dietro una schermatura che sopprime la maggior parte delle particelle del Modello Standard.
“Il primo è un rivelatore di scattering e di neutrini, basato su mattoni di tungsteno-emulsione e fibra scintillante, dedicato allo studio dei neutrini τ e alla ricerca di interazioni con materia oscura assunta ‘leggera’ – spiegano i ricercatori italiani del gruppo SHiP di Bologna – . Il secondo è formato da un volume di decadimento sotto vuoto lungo 50 metri, circondato da uno scintillatore liquido con funzione di veto. La parte finale del volume di decadimento è occupata da un particolare spettrometro, disegnato per un’accurata ricostruzione dei vertici di decadimento”.
Nell’ambito dell’esperimento, un fascio di protoni verrà quindi diretto a colpire un bersaglio fisso, producendo una varietà di particelle (come mesoni charm e fotoni): quando queste particelle decadono o interagiscono, potrebbero produrre le particelle nascoste che lo SHiP sta cercando.
Quali particelle potrebbe trovare lo SHiP
L’esperimento è progettato per cercare le particelle che interagiscono solo molto debolmente con la materia che conosciamo, incluse le ipotetiche particelle della materia oscura, che si ritiene sia una forma di materia che non assorbe né emette radiazioni rilevabili. I ricercatori hanno dedotto la sua esistenza da osservazioni astronomiche, come la luce che si piega attorno ai grandi ammassi di galassie nel suo cammino verso il nostro pianeta, sebbene non sia mai stata rilevata direttamente.
Altre nuove particelle che lo SHiP potrebbe trovare includono quelle che andrebbero a spiegare altri fenomeni irrisolti dal Modello Standard, chiarendo ad esempio perché attualmente esiste molta più materia dell’antimateria (l’asimmetria materia-antimateria), così come le proprietà di oscillazione osservate in particelle come i neutrini e di conseguenza la loro massa.
Lo SHiP è una collaborazione di 54 istituti, che in totale rappresentano 18 Paesi, e opererà insieme a tutti gli altri esperimenti del CERN, il più grande dei quali è il Large Hadron Collider (LHC), impegnato nella ricerca delle particelle nascoste da quando è stato completato nel 2008, per un costo di circa 4,4 miliardi di euro. Lo SHiP, la cui costruzione partirà nel 2027, dovrebbe essere molto più economico (circa 116 milioni di euro): inizierà a raccogliere dati nel 2030 e, con la sua messa in funzione, aumenterà il numero di potenziali interazioni di un fattore 1.000 rispetto a quanto è attualmente possibile con gli esperimenti del Large Hadron Collider.
