Neutrini, materia oscura e una fabbrica di bosoni di Higgs tra i programmi da implementare e sviluppare, ma anche intesificare la ricerca sulla radiazione cosmica di fondo, l’eco del Big Bang che può svelare i segreti per risolvere gli enigmi irrisolti che legano il mondo delle particelle alla vastità dell’universo.

 

Un panel dei migliori fisici delle particelle statunitensi, presieduto dal  teorico Murayama Hitoshi della University of California, Berkeley, ha pubblicato il suo rapporto finale raccomandando come il governo degli Stati Uniti dovrebbe impegnare i suoi fondi di ricerca sulla fisica delle alte energie per il prossimo decennio e oltre, concentrandosi sui neutrini, materia oscura e il fondo cosmico a microonde.
Il rapporto del Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) è stato approvato venerdì, 8 dicembre, dal High Energy Physics Advisory Panel (HEPAP) e sarà inviato alle due principali agenzie di finanziamento per la fisica negli Stati Uniti. — il Dipartimento di Energia (DOE) e la National Science Foundation (NSF) — per aiutarli nelle loro decisioni su quale ricerca finanziare. L’HEPAP, un comitato consultivo permanente per DOE e NSF, costituisce elenco di priorità ogni 10 anni.
Il panel, composto da 31 membri e un membro ex-ufficio dagli Stati Uniti e dall’estero, ha considerato solo progetti di ricerca sulla fisica di grandi e medie dimensioni, il tipo che può richiedere anni o decenni per pianificare e costruire, arruolare contributi di migliaia di scienziati e costare miliardi di dollari.
Per adattarsi ai vincoli di budget — probabilmente meno di $5 miliardi dalle due agenzie in 10 anni per nuovi progetti — il panel ha dovuto combinare o riconfigurare molti progetti proposti e rifiutare forse due terzi di loro.
“La responsabilità fiscale è stata una grande cosa nella nostra mente per assicurarci che le raccomandazioni siano perseguibili dalle agenzie e possano essere seguite”, ha detto Murayama, il MacAdams Professor of Physics presso la UC Berkeley. “Dovevamo essere davvero realistici riguardo al nostro piano.”
I cinque progetti consigliati con budget stimati superiori a un quarto di miliardo di dollari ciascuno sono i seguenti:

Il Fondo Cosmico Microonde Stadio IV esperimento (CMB-S4), che utilizzerà telescopi situati in Cile e Antartide, supportati dalle infrastrutture statunitensi al Polo Sud, per studiare la luce più antica dall’inizio dell’universo.

La polarizzazione della radiazione di fondo può dire ai cosmologi delle onde gravitazionali generate durante l’inflazione nell’universo primordiale e aiutarli a capire cosa stava succedendo quando il cosmo era ancora microscopico.

Miglioramenti, tra cui un aggiornamento in potenza e capacità sperimentali, all’Esperimento Neutrino Deep Underground (DUNE) nel Dakota del Sud.

Il DUNE è il fulcro di un programma decennale per rivelare I misteri dei neutrini sfuggenti. Il progetto internazionale ospitato negli Stati Uniti sfrutterà un laboratorio sotterraneo unico, il Sanford Underground Research Laboratory, ora in fase di completamento, e fasci di neutrini prodotti al Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois.

Una fabbrica di bosoni di Higgs, situata in Europa o in Giappone, per far avanzare gli studi su una particella ancora misteriosa che è stata scoperta solo nel 2012, ma che dà massa a tutte le altre forme di materia.

Un acceleratore che produce molti bosoni di Higgs consentirebbe misurazioni precise delle proprietà del bosone e aiuterebbe I fisici a capire come la particella si inserisce negli attuali modelli dell’universo con materia oscura.

Un esperimento di Materia Oscura di Generazione 3 (G3) che combinerebbe quattro diversi esperimenti internazionali — tra cui il Esperimento LZ guidato da Lawrence Berkeley National Laboratory — in un programma completo per sondare la natura enigmatica della materia oscura, che costituisce una porzione significativa dell’universo’ massa ed energia ed è stato uno dei misteri più duraturi della fisica moderna. Il pannello ha raccomandato che questo esperimento sia costruito negli Stati Uniti.

Espansione al Polo Sud di un osservatorio di neutrini, che ha mappato per la prima volta le sorgenti di neutrini provenienti dalla Via Lattea e al di fuori della nostra galassia. Chiamato IceCube-Gen2 , sarebbe una collaborazione internazionale operata dalla University of Wisconsin–Madison. L’osservatorio è ora costituito da rivelatori incorporati in 1 chilometro cubo di ghiaccio; l’espansione aumenterebbe la sensibilità dell’osservatorio di un fattore 10.

Il panel ha anche raccomandato di investire in studi su un futuro collisore muonico. Mentre la maggior parte degli acceleratori di particelle oggi fanno ruotare elettroni o protoni e li distruggono insieme, un collisore muonico accelererebbe I muoni di breve durata, che sono particelle fondamentali come gli elettroni (sono entrambi leptoni), ma molto più pesanti.
Un collisore di muoni potrebbe esplorare nuove frontiere della fisica con un apporto di energia molto inferiore rispetto a un collisore di protoni. Il pannello ha proposto Fermilab come un buon posto per costruire un collisore dimostrativo per testare la tecnologia unica.
“Nell’esercizio P5, è davvero importante dare un’occhiata ampia a dove è diretto il campo della fisica delle particelle e consegnare un rapporto che equivale a un piano strategico per la comunità degli Stati Uniti con una tempistica di bilancio di 10 anni e un contesto di 20 anni. Il panel ha pensato a dove potrebbero trovarsi le prossime grandi scoperte e come potremmo massimizzare l’impatto nel budget per supportare le scoperte future e la prossima generazione di ricercatori e tecnici che lo saranno necessario per raggiungerli,” ha detto Karsten Heeger P5 panel vice presidente e Professore e presidente di fisica presso l’Università di Yale.
Il panel ha anche esortato il DOE a istituire un fondo, come NSF, che sosterrebbe progetti su piccola scala.
“Dobbiamo davvero guardare l’equilibrio tra le grandi   piccole cose, per far andare avanti davvero i giovani”, ha detto Murayama.
“In alcuni casi, I piccoli progetti possono comportare il pensiero fuori dagli schemi e possono essere ad alto rendimento, in termini di risultati scientifici.”
Il rapporto si basava sull’output di un esercizio di pianificazione della comunità di fisica delle alte energie Snowmass 2021 a Seattle, Washington, organizzato dall’American Physical Society, l’unico organismo indipendente negli Stati Uniti. ciò rappresenta la comunità della fisica delle particelle nel suo complesso. Le nuove conoscenze e le nuove tecnologie discusse hanno posto le basi per la relazione P5.
“Il bosone di Higgs era stato appena scoperto prima del precedente processo P5, e ora il nostro continuo studio della particella ha notevolmente informato ciò che pensiamo possa trovarsi oltre il modello standard della fisica delle particelle, ha detto Murayama.
“Il nostro pensiero su ciò che potrebbe essere la materia oscura è cambiato, costringendo la comunità a guardare altrove nel cosmo. E nel 2015 è stata segnalata la scoperta delle onde gravitazionali. Anche la tecnologia degli acceleratori sta cambiando, il che ha spostato la discussione sulla tecnologia necessaria per costruire il collisore di particelle di prossima generazione.”
Guardare le cose sempre più piccole — il regno della fisica delle particelle tradizionale — deve essere combinato con uno sguardo alle strutture più grandi, come l’evoluzione dell’universo, per ottenere un quadro completo di ciò che il rapporto descrive come i “più piccoli costituenti del nostro vasto e complesso universo.”
“Il rapporto P5 getterà le basi per un futuro molto luminoso nel campo, ha detto” R. Sekhar Chivukula , 2023 Presidente della APS Division of Particles and Fields e Distinguished Professor of Physics presso l’Università della California, San Diego.
“Ci sono domande scientifiche straordinariamente importanti rimaste nella fisica delle particelle, che la comunità statunitense di fisica delle particelle ha sia la capacità che l’opportunità di aiutare ad affrontare, all’interno delle nostre strutture e come membro della comunità globale di fisica delle alte energie.”

 

Graphic courtesy of American Physical Society

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