La fisica del futuro pensa in grande

Sono ormai lontani i tempi in cui Enrico Fermi e i suoi “ragazzi di via Panisperna” riuscivano a realizzare scoperte straordinarie – come la fissione del nucleo di un atomo – all’interno di un piccolo laboratorio. Oggi la musica è decisamente diversa. La fisica del terzo millennio è infatti ciò che meglio rappresenta il concetto di Big science: grandi esperimenti, enormi collaborazioni e molti soldi in gioco. Non a caso le ultime due grandi scoperte in ordine di tempo, il bosone di Higgs (2012) e le onde gravitazionali (2016), sono il risultato di due lunghissimi percorsi che hanno prodotto strumenti dotati di straordinaria tecnologia – come l’acceleratore di particelle Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra e gli interferometri per onde gravitazionali LIGO e Virgo – e coinvolto migliaia di ricercatori in tutto il mondo.

La linea è ormai tracciata, e la fisica del futuro (almeno quella sperimentale) promette inevitabilmente di continuare su questa strada. Ma quali sono i grandi esperimenti in cantiere, pronti a dare la caccia ad altre potenziali grandi scoperte nei prossimi anni?

Al centro della scena continua a essere il CERN di Ginevra. Dopo la scoperta del bosone di Higgs – il tassello che mancava nel mosaico del modello standard, la teoria che descrive la fisica delle particelle – gli obiettivi scientifici continuano a essere estremamente ambiziosi. All’orizzonte c’è ora la caccia alla cosiddetta nuova fisica, cioè tutto ciò che va oltre i modelli teorici finora già verificati. Per riuscirci è però necessario alzare di molto l’asticella: già in questi ultimi anni l’energia delle collisioni che avvengono all’interno dell’acceleratore LHC è aumentata in modo significativo rispetto al primo run (quello che aveva portato alla scoperta del bosone di Higgs), e per i prossimi due decenni sono già programmati ulteriori miglioramenti, che porteranno a raccogliere una quantità di dati senza precedenti. All’orizzonte però, c’è un progetto ancora più ambizioso: è il Future Circular Collider (FCC), un nuovo enorme acceleratore lungo 100 chilometri che prenderà il posto di LHC (la cui circonferenza è di 27 chilometri). e capace di lavorare a una scala di energia quasi 10 volte superiore a quella dell’attuale acceleratore. Una sfida enorme dal punto di vista tecnologico e ingegneristico (FCC attraverserebbe l’intera regione di Ginevra, compresa una parte del lago Lemano) che coinvolge nella fase di studio oltre 70 enti di ricerca di tutto il mondo. L’obiettivo è accenderlo nel 2035.

Oltre all’infinitamente piccolo, l’altra frontiera della fisica del futuro guarda in direzione opposta, e cioè verso l’Universo più profondo. La scoperta delle onde gravitazionali – sottili increspature dello spazio-tempo prodotte dal rapido movimento di oggetti celesti come i buchi neri e le stelle di neutroni – ha segnato l’inizio di una nuova era dell’astronomia, definita “multimessaggera”: è ora possibile, infatti, pensare di osservare un evento astrofisico da più punti di vista, registrando contemporaneamente sia segnali di natura elettromagnetica che gravitazionali.

Le osservazioni di onde gravitazionali sono destinate ad aumentare esponenzialmente nei prossimi anni grazie al potenziamento degli attuali interferometri e soprattutto alla nascita dell’Einstein Telescope, un nuovo osservatorio di terza generazione sotterraneo (a una profondità compresa tra 100 e 300 metri, necessaria a schermare lo strumento dai movimenti sismici), la cui sede deve ancora essere decisa: in lizza c’è anche l’Italia, che propone la miniera di Sos Enattos in Sardegna.

Ma anche in questo campo si pensa ancora più in grande: gli osservatori terrestri saranno infatti presto affiancati da grandi interferometri nello spazio, come prevede il progetto LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un rivelatore spaziale di onde gravitazionali che sarà costituito da tre stazioni distanti tra loro milioni di chilometri. Un progetto colossale, che elimina il problema del “rumore di fondo” della sismicità terrestre, destinato a rivoluzionare la ricerca di onde gravitazionali. Se tutto andrà come nelle previsioni, sarà operativo dal 2029.

Non solo onde gravitazionali però: anche i telescopi “classici”, cioè quelli che vanno a caccia di segnali elettromagnetici, sono pronti a superare limiti di osservazione impensabili fino a pochi anni fa. Tra questi è in rampa di lancio lo Square Kilometer Array (SKA), destinato a diventare il più grande telescopio per onde radio mai costruito: sorgerà nell’emisfero australe, tra l’Australia e il Sudafrica, e sarà costituito dall’insieme di oltre un milione di radiotelescopi, per una superficie complessiva di circa un chilometro quadrato. Anche qui, le potenzialità di osservazione sono immense.

Oltre a SKA, che dovrebbe cominciare a fare osservazioni intorno al 2025, è stato appena acceso alle Canarie il primo di una rete di 118 telescopi che costituirà il Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), l’osservatorio più esteso e sensibile al mondo di raggi gamma (radiazioni molto energetiche prodotte da violenti eventi astrofisici). Infine, nel 2017 sulle Ande cilene è stata posta la prima pietra dell’Extremely Large Telescope, un enorme telescopio ottico largo 39 metri e con la stessa risoluzione di 100 milioni di occhi umani. Sarà pronto nel 2024.

Insomma, non resta che allacciare le cinture: i grandi esperimenti di fisica dei prossimi decenni non ci faranno certo annoiare.