L'unIverso quantIstIco - ILC Document Server - International Linear ...

IndIce
01 3 INTRODUZIONE
4 Informazioni su questo documento
6 RIASSUNTO ESECUTIVO
02 10 L’UNIVERSO QUANTISTICO
12 La porta verso l’Universo Quantistico
12 I segreti della scala del “Tera”
14 La particella di Higgs
15 Rivelando i risultati finali: extra dimensioni?
16 Una luce sulla materia oscura
18 Un supermondo parallelo
18 Un telescopio sull’ignoto
19 Scenari di scoperta
03 20 ILC: LA MACCHINA PER IL FUTURO
22 ILC: una guida passo per passo
24 Le sfide principali
04 28 UN PROGETTO GLOBALE
29 L’impegno per un progetto globale
29 Considerazioni sul sito
30 Stima dei costi per la macchina ILC
33 I passi successivi
05 34 LA STRADA VERSO IL FUTURO
34 La prossima generazione
36 Un percorso rapido per l’industria
38 Oltre l’orizzonte

L’UNIVERSO QUANTISTICO
IL MAELSTROM
DELL’ENERGIA
OSCURA
L’OCEANO DEL
BIG BANG
4
LA TERRA
DELL’UNIFICAZIONE
ULTIMA
MAR DELLE TEORIE
0 1 anno luce
L’ISOLA DI
HIGGS
1
IL PASSAGGIO
PROVVISORIO
2
L’ARCIPELAGO
DELLE EXTRA
DIMENSIONI
LA SCOGLIERA DELLA
SUPERSIMMETRIA
3

MAR DEI
GRANDI MISTERI
5
LA TERRA
EMERSA DELLA
MATERIA OSCURA
LuoghI da vIsItare
Tutto l’universo Quantistico abbonda di luoghi
interessanti da scoprire. Quando inizi il viaggio, eccone
alcuni da non perdere:
1 L’isola di Higgs: è massiccia!
2 La scogliera della supersimmetria:
scopri quanto è realmente simmetrica
3 L’arcipelago delle extra dimensioni:
non pensare mai più in 3D!
4 La terra dell’unificazione ultima:
dove terminano tutti i viaggi
5 La terra emersa della materia oscura:
dicci cosa vedi...
Frontiera della conoscenza
Capo
Antimateria
Monte
Einstein
MAR DEI
QUARK
TERRITORIO
NOTO
MAR DEI PICCOLI
MISTERI
Prato di
Newton
PORTO DEL
MODELLO
STANDARD
credito: form one

01
IntroduzIone
Cosa è l’International Linear Collider?
Stiamo per essere testimoni di una rivoluzione
scientifica. L’International Linear Collider (ILC), la
proposta di un nuovo acceleratore di particelle,
promette di modificare radicalmente la nostra
comprensione dell’universo, rivelando l’origine
della massa, evidenziando eventuali dimensioni
nascoste dello spazio e spiegando persino il mistero
della materia oscura. La tecnologia avanzata della
superconduttività permette di accelerare e portare
a scontrarsi particelle di energie incredibilmente
elevate percorrendo tunnel lunghi più di 30 km.
Rivelatori all’avanguardia registrano gli scontri che
avvengono al centro della macchina, aprendo una
nuova porta sull’Universo Quantistico, un territorio
inesplorato in cui l’estremamente piccolo risponde
a domande sull’estremamente grande. Dagli
studenti appena laureati ai professori universitari,
oltre mille scienziati di tutto il mondo già oggi
collaborano alla progettazione e alla costruzione
dell’acceleratore di particelle di domani.
2 | 3

01 | INTRODUZIONE
COMITATO DEL PROGETTO INTERNATIONAL LINEAR COLLIDER:
LA PORTA VERSO L’UNIVERSO QUANTISTICO
Jonathan Bagger
Johns Hopkins University, USA
Ties Behnke
DESY, Germania
Philip Burrows
(Presidente)
Università di Oxford,
Regno Unito
Jinhyuk Choi
Laboratorio dell’acceleratore di
Pohang, Corea
Elizabeth Clements
Fermilab, USA
Jean-Pierre Delahaye
CERN, Svizzera
Chris Damerell
Rutherford Appleton Laboratory,
Regno Unito
Jie Gao
IHEP, Accademia cinese delle
scienze, Cina
David Harris
symmetry magazine, USA
Rolf Heuer
DESY e Università di Amburgo,
Germania
JoAnne Hewett
SLAC, USA
Young-Kee Kim
Università di Chicago
e Fermilab, USA
Joe Lykken
Fermilab, USA
Youhei Morita
KEK, Giappone
Hitoshi Murayama
Lawrence Berkeley National
Laboratory, USA
Won Namkung
Laboratorio dell’acceleratore di
Pohang, Corea
Perrine Royole-Degieux
IN2P3/CNRS, Francia
Rika Takahashi
KEK, Giappone
Nobu Toge
KEK, Giappone
Nick Walker
DESY, Germania
Barbara Warmbein
DESY, Germania
John Womersley
Rutherford Appleton Laboratory,
Regno Unito

InformazIonI su questo
documento:
La comunità globale ILC, un gruppo di oltre 1.000 fisici e ingegneri impegnati a
trasformare in realtà questa macchina futura, ha pubblicato il suo Rapporto di
riferimento sulla progettazione. Il rapporto, di quattro volumi, specifica in dettaglio gli
obiettivi della fisica, le sfide tecniche, i risultati di Ricerca e Sviluppo e le caratteristiche
generali dell’acceleratore progettato. Questo documento, L’International Linear Collider:
la porta verso l’Universo Quantistico, traduce il contenuto tecnico e dettagliato del
Rapporto di riferimento sulla progettazione e spiega come e perché costruiremo la
futura macchina per la fisica delle particelle.
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01 | RIASSUNTO ESECUTIVO
6

Iassunto
esecutIvo
I fisici delle particelle cercano di rispondere a
domande profonde sull’universo studiando le
leggi fondamentali della natura: quali sono i
componenti fondamentali della materia e come si
uniscono tra di loro per dare forma al mondo? Esistono
altre dimensioni oltre alle tre che conosciamo
e quotidianamente esploriamo con i nostri sensi?
Le varie forze della natura sono in realtà manifestazioni
di una singola forza unificata? Da dove proviene
la materia? Qual è la natura della materia oscura
che tiene insieme le galassie? Questi, al momento,
sono dei misteri.
Gli acceleratori di particelle di ieri e di oggi hanno
rivelato come è fatto il regno delle particelle
elementari e quale è il loro comportamento fino
a distanze molto piccole. Ora conosciamo le
particelle che costituiscono la materia ordinaria e
sappiamo che esistono quattro forze fondamentali
della natura.
Siamo quindi pronti a fare i passi successivi ed
a partire per un viaggio di scoperta. Puntiamo a
risolvere i misteri insoluti utilizzando la prossima
generazione di acceleratori di particelle. Questi
ci porteranno in una nuova regione di energia,
necessaria per esplorare fenomeni più piccoli e più
fondamentali. Questa regione è conosciuta come
la ‘scala del Tera’ e prende il nome dal suffisso che
indica le migliaia di miliardi di volt di energia
necessari per accedervi.
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01 | RIASSUNTO ESECUTIVO
qual è il significato
dell’universo
quantistico?
L’Universo Quantistico è il regno
subatomico dell’universo, governato
dalle leggi della fisica quantistica. La
fisica delle particelle punta a rivelare
di cosa è fatto l’universo e come
funziona, ponendosi domande che
richiedono una risposta a scale subatomiche
dove dominano i fenomeni
quantistici. La recente rivoluzione
nella comprensione dell’universo da
parte dei fisici delle particelle e la
prossima generazione di acceleratori
di particelle metteranno l’Universo
Quantistico alla nostra portata.
scala del “tera” e salto
quantistico: potenze di
dieci
10 –12 pico p 0,000 000 000 001
10 –9 nano n 0,000 000 001
10 –6 micro μ 0,000 001
10 –3 milli m 0,001
10 –2 centi c 0,01
10 –1 deci d 0,1
10 0 1
10 1 deca da 10
10 2 etto h 100
10 3 kilo k 1 000
10 6 mega M 1 000 000
10 9 giga G 1 000 000 000
10 12 tera T 1 000 000 000 000
Nei prossimi anni, il Large Hadron Collider (LHC) ci offrirà una prima
visione della scala del “Tera”. Il desiderio di approfondire le scoperte
dell’LHC può diventare realtà con l’International Linear Collider (ILC).
L’ILC ci consentirà di ampliare i nostri orizzonti di questo nuovo
panorama con grande precisione, rivelandone la ricchezza e i dettagli.
L’ILC ci offrirà una visione dell’universo come era quando aveva un’età
di appena un miliardesimo di miliardesimo di secondo. Insieme,
l’ILC e l’LHC ci trasporteranno in territori dove scoperte, previste e
impreviste, potranno essere all’ordine del giorno.
La fisica delle particelle ispira. L’ILC attrarrà le menti migliori verso
la scienza e la tecnologia e ci consentirà di formare le generazioni
future di scienziati e ingegneri. Queste menti eccellenti continueranno
a promuovere la tecnologia, consentendo molte applicazioni
nella scienza e nell’industria. La conoscenza generata dalla ricerca
fondamentale nell’ultimo secolo ha trasformato in maniera globale
l’economia e la cultura.

elettroni
Non possiamo ancora predire
come le extra dimensioni o la
materia oscura incideranno
ulteriormente sulla società,
invece i vantaggi derivanti
dagli strumenti che stiamo
sviluppando sono facili da
immaginare. Per citarne solo
alcuni, applicazioni in medicina,
nei trasporti, nell’acquisizione di
immagini biologiche in tempo
reale, nello sviluppo di nuovi
strumenti informatici e di nuovi
dispositivi per l’acquisizione di
immagini nelle comunicazioni e
nella grafica.
Al di là dell’impatto diretto che
la ricerca fondamentale ha sulle
nostre vite, siamo gratificati dalla
comprensione del mondo in cui
viviamo. L’istinto di esplorare e
comprendere il modo in cui le
cose funzionano è connaturato
agli esseri umani. È questa
curiosità che ci spinge a costruire
l’ILC e che, in ultima analisi, ci
porterà a scoperte che possono
risolvere i grandi misteri
dell’universo.
Sorgente di positroni
Rivelatori Sorgente di elettroni
l’ILc in numeri
URTI:
Tra gli elettroni e le loro antiparticelle,
i positroni, in pacchetti di 5 nanometri
(5 miliardesimi di metro) di altezza
ciascuno contenente 20 miliardi di
particelle e che collidono 14.000 volte
al secondo
Energia:
Fino a 500 miliardi di elettron volt
(GeV) con l’opzione di passare a
1.000 miliardi di elettron volt (TeV)
se necessario.
Tecnologia di accelerazione:
16.000 cavità acceleranti superconduttrici
di niobio puro
Lunghezza:
Circa 31 km, più due anelli attenuatori
ciascuno dei quali con una circonferenza
di 6,7 km
Gradiente di accelerazione:
31,5 megavolt al metro
Sistemi di trasporto del fascio
Acceleratore lineare principale Anelli attenuatori
Acceleratore lineare principale
Temperatura della cavità:
2 K (–271,2 °C o –456 °F)
RIVELATORI:
2, basati su tecnologie complementari
Sito:
Da determinare in una fase successiva
del progetto
Comunità ILC:
Circa 300 laboratori e università di
tutto il mondo sono coinvolti nell’ILC:
oltre 700 persone stanno lavorando al
progetto dell’acceleratore, mentre altre
900 stanno lavorando allo sviluppo
dei rivelatori. Il lavoro di progettazione
dell’acceleratore è coordinato dal
Global Design Effort, mentre gli studi
sulla fisica e le attività sui rivelatori
sono coordinati dal World Wide Study.
Sul Web:
http://www.linearcollider.org
8 | 9
Positroni

02 | L’UNIVERSO QUANTISTICO

02 L’unIverso quantIstIco
È iniziata una rivoluzione nel modo in cui vediamo l’universo.
Negli ultimi anni, gli esperimenti
e le osservazioni hanno rivelato
un universo molto più strano e
meraviglioso di quanto avessimo
mai immaginato: un universo
pieno di sostanze misteriose
chiamate materia oscura ed energia
oscura, e nel quale la materia
ordinaria (tutto quanto siamo,
vediamo e avvertiamo) rappresenta
solo una piccola frazione.
La prossima generazione di
acceleratori di particelle amplierà
ulteriormente la nostra
comprensione e punta a rivelare
queste nuove forme di materia,
nuove forze della natura e nuove
dimensioni dello spazio e del
tempo. Questi acceleratori esploreranno
un nuovo territorio, la
scala del “Tera”, denominato
in questo modo per le energie
che si avvicinano ai Tera elettron
volt (migliaia di miliardi di
elettron volt o TeV), che sono
necessarie per aprirlo alle
scoperte scientifiche.
Oggi sappiamo che a queste
scale c’è qualcosa di nuovo: lo
affermano molti esperimenti
degli ultimi decenni, eseguiti da
vari team internazionali. Però
non sappiamo esattamente cosa
potremo trovare. Esplorando la
scala del “Tera”, ci aspettiamo di
ottenere risposte alle nostre domande
e completare una visione
rivoluzionaria dell’universo e
delle sue leggi fisiche: l’Universo
Quantistico.
domande universali
Ci stiamo ponendo domande
fondamentali sull’universo:
1. Esistono principi della natura che
non siano stati scoperti?
2. Come possiamo risolvere il mistero
dell’energia oscura?
3. Esistono extra dimensioni dello
spazio?
4. Tutte le forze diventano una
sola forza?
5. Perché esistono tanti tipi di particelle?
6. Cos’è la materia oscura? Come
possiamo produrla in laboratorio?
7. Cosa ci dicono i neutrini?
8. Come si è creato l’universo?
9. Cosa è accaduto all’antimateria?
10 | 11
La prossima generazione di acceleratori
di particelle ci aiuterà a rispondere
a queste domande.

02 | L’UNIVERSO QUANTISTICO
gli acceleratori della
prossima generazione
The next-generation accelerators
Il Large Hadron Collider (LHC)
entra in funzione nel 2008 al CERN,
l’Organizzazione Europea per la Ricerca
Nucleare, a Ginevra, in Svizzera.
In un tunnel circolare di 27 km di
circonferenza, l’LHC farà scontrare tra
di loro due fasci di protoni. In questi
urti ciascun protone avrà un’energia
di 7 Tera elettron volt. Ma poiché i
protoni sono composti da particelle
denominate quark e gluoni, solo una
frazione dell’energia di ciascun protone
è utilizzata quando i singoli quark
e gluoni si scontrano. Le collisioni che
possono creare nuove particelle dotate
di massa si verificheranno all’LHC
con energie totali disponbili di alcuni
Tera elettron volt.
L’International Linear Collider (ILC)
farà scontrare l’uno contro l’altro fasci
di elettroni e di positroni, i corrispondenti
degli elettroni nell’antimateria.
Posti uno di fronte all’altro, due
acceleratori lineari (uno che scaglia
elettroni e l’altro che scaglia positroni)
raggiungeranno un totale di circa
31 km. Al centro elettroni e positroni,
ciascuno con un’energia di 250 miliardi
di elettron volt, viaggeranno quasi
alla velocità della luce e si urteranno.
Creeranno collisioni spettacolari con
un’energia totale di 500 miliardi di
elettron volt, tutta disponibile per
la creazione di nuove particelle. Il disegno
dell’ILC consente potenziamenti
della macchina fino ad energie di circa
1 Tera elettron volt.
Perché l’ILC è lineare e non circolare?
Quando una particella elettricamente
carica è forzata su un percorso curvo,
emette raggi X e perde energia. Quanto
maggiore è la sua energia, tanto
maggiore è la perdita di energia per
emissione di raggi X. Questa perdita
è molto più grande per gli elettroni e
i positroni che per i protoni nell’LHC
a causa della differente massa. La
soluzione per raggiungere alte energie
per elettroni e positroni è di eliminare
le curve, da cui l’aggettivo ‘lineare’
nell’ILC.
La porta verso
l’universo quantistico
Per fare questo salto nell’ignoto, fisici di tutto il
mondo stanno collaborando alla progettazione
e costruzione degli acceleratori più avanzati mai
concepiti. L’ILC descriverà questo nuovo territorio
con precisione senza precedenti. La prima mappa
della scala del “Tera” verrà dall’LHC attualmente in
costruzione presso il CERN a Ginevra, in Svizzera.
Nessuno sa esattamente cosa troverà l’LHC, ma il
territorio è vasto e il potenziale di scoperte è enorme.
L’ILC ci consentirà di orientarci con grande precisione
nel nuovo panorama che l’LHC inizierà ad
esplorare. Amplierà le scoperte fatte dall’LHC e ci
rivelerà le leggi della natura alla scala del “Tera”.
Insieme, queste macchine da scoperta metteranno
al centro della nostra attenzione l’Universo
Quantistico.
I segreti della scala del “tera”
In base agli esperimenti e alle scoperte degli ultimi
decenni, i fisici ritengono che la scala del “Tera”
offrirà prove di forme di materia completamente
nuove, e forse anche di extra dimensioni dello
spazio. La nuova materia potrebbe includere la
particella di Higgs, nonché una famiglia ampliata
di ‘particelle supersimmetriche’ elementari, i cugini
più pesanti delle particelle che conosciamo già.
Queste scoperte ci diranno qualcosa della natura
dell’universo e di come le leggi della fisica sono
arrivate ad essere quelle di oggi.

credito: Fermilab, NASA, ESA, G. Piotto (Università di Padova) e A. Sarajedini (Università della Florida)
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02 | L’UNIVERSO QUANTISTICO
La particella di higgs
L’attuale Modello Standard della fisica delle particelle
descrive quasi tutti i fenomeni alle alte energie
osservati con gli acceleratori di particelle esistenti.
La precisione delle sue predizioni è notevole, ma funziona
solo basandosi su un’ipotesi non verificata: il
meccanismo di Higgs. La particella di Higgs è l’unica
particella del Modello Standard non ancora osservata.
Nel Modello Standard gioca un ruolo determinante
nella spiegazione dell’origine delle masse delle
particelle elementari. Come un fluido quantistico
invisibile, il campo di Higgs riempie il vuoto dello
spazio, rallentando il moto delle particelle e dando
massa alla materia. Quando questo fluido quantistico
è disturbato ad energie sufficientemente elevate,
ci aspettiamo che rilasci particelle di Higgs osservabili,
distaccandole una ad una.
Le misure di precisione effettuate sulle proprietà
delle particelle elementari osservate ci consentono
di stimare l’energia alla quale apparirà la particella
di Higgs. Questa energia è al limite di quanto disponibile
negli acceleratori di particelle in funzione, ma
è ampiamente alla portata dell’LHC e dell’ILC.
Nell’ILC particelle di Higgs verranno create direttamente
nelle collisioni elettrone-positrone e quindi
saremo in grado di misurare con grande precisione
le loro proprietà: la massa, il momento angolare
intrinseco denominato ‘spin’ e la forza delle loro
interazioni con le altre particelle elementari. Le
proprietà della particella di Higgs saranno quelle
predette dal Modello Standard? Oppure suggeriranno
una particella supersimmetrica di Higgs più
esotica? O la natura sarà ancora più complicata? L’ILC
ci consentirà di scoprirlo.

Credito: Jean-Francois Colonna
rivelando i
risultati finali:
extra dimensioni?
Nella descrizione che oggi abbiamo dell’universo,
le leggi dell’infinitamente grande e quelle
dell’infinitamente piccolo non si mescolano.
Abbiamo già scoperto che tre delle quattro forze note
condividono la stessa struttura matematica descritta
dalla teoria quantistica. È possibile riconciliare la
gravità (la legge che governa l’infinitamente grande)
con la teoria quantistica (che funziona a scale di
distanze infinitesime)? Potrebbe esistere una sola
teoria del tutto? Le caratteristiche peculiari dell’ILC
potrebbero fornire le informazioni per imboccare la
strada corretta verso la teoria definitiva.
La teoria delle stringhe (o corde) è un candidato
promettente per unificare le leggi del grande e del
piccolo. La teoria sostiene che tutte le particelle e
le forze possono essere immaginate come sottili
corde vibranti. Un tocco della corda la rende un
quark, mentre un altro la rende un fotone: una
vera sinfonia di particelle. Questa teoria implica
il realizzarsi in maniera naturale di concetti della
massima importanza quali la supersimmetria e le
extra dimensioni dello spazio.
Queste extra dimensioni non sono visibili nel
nostro mondo di tutti i giorni. Sono pensate come
“arrotolate” su se stesse in modo tale da diventare
visibili solo se messe alla prova con potenti acceleratori.
Se nuove dimensioni esistono alla scala
del “Tera”, l’LHC potrebbe scoprirle e l’ILC potrebbe
determinarne il numero, la loro grandezza e forma
e quali particelle si trovino al loro interno. Insieme,
l’LHC e l’ILC potrebbero così aprire una finestra sul
nuovo mondo della gravità quantistica.
Il modello standard
(e oltre)
Il Modello Standard della fisica delle
particelle è una teoria che descrive
le particelle note che compongono la
materia ordinaria e tre delle quattro
interazioni fondamentali che tra di
esse hanno luogo. Queste interazioni,
o forze, sono la forza elettromagnetica
(che utilizziamo e su cui facciamo
quotidianamente affidamento), la
forza forte (che tiene insieme i quark
all’interno del nucleo dell’atomo) e
la forza debole (che è responsabile
di molti decadimenti radioattivi). Il
Modello Standard non include nel suo
ambito la quarta forza, la gravità.
antimateria
14 | 15
Ad ogni particella fondamentale corrisponde
una particella di antimateria.
La coppia è identica sotto molti aspetti,
tranne che per uno estremamente
importante: hanno carica elettrica
opposta. Ad esempio, un elettrone
e un positrone sono identici, tranne
il fatto che un elettrone ha carica
negativa mentre un positrone ha carica
positiva. Quando una particella e la sua
antiparticella si incontrano, si annichilano
in uno stato di pura energia.

02 | L’UNIVERSO QUANTISTICO
supersimmetria
Si ipotizza che la supersimmetria sia
una proprietà dell’universo, ma non
è stata ancora osservata sperimentalmente.
Questa teoria richiede che
per ogni tipo di particella esista una
particella supersimmetrica associata,
denominata il suo partner supersimmetrico.
Il partner supersimmetrico è
una replica “pesante” di una particella,
con un’altra differenza significativa.
Tutte le particelle sono classificate
come fermioni o bosoni. Una particella
che appartenga ad una classe ha
un partner supersimmetrico nell’altra,
facendo così ‘quadrare i conti’ e
rendendo la natura più simmetrica. Ad
esempio, il partner supersimmetrico
di un elettrone (un fermione) è denominato
un selettrone (un bosone).
La supersimmetria descrive una
maestosa danza delle particelle
nell’universo, ma finora siamo stati
in grado di osservare un solo partner
di ciascuna coppia. Le particelle
non osservate potrebbero essere la
sorgente della misteriosa ‘materia
oscura’ presente nelle galassie.
Benché particelle supersimmetriche
non siano state ancora osservate,
potrebbero essere prodotte ed
identificate negli esperimenti all’LHC
e all’ILC.
Come le caramelle in questo barattolo, l’universo è principalmente oscuro:
il 96% è composto da materia oscura ed energia oscura. Solo circa il
4% dell’universo (la stessa proporzione delle caramelle colorate),
comprendente le stelle, i pianeti e noi stessi, è composto dalla materia
atomica a noi oramai familiare.
una luce sulla materia oscura
Lo scorso decennio ha portato la sorprendente
scoperta che il 96% dell’universo non è composto
da materia ordinaria, ma consiste invece di ‘energia
oscura’ (circa il 74%), che causa l’espansione accelerata
dell’universo, e ‘materia oscura’ (circa il 22%),
una forma misteriosa di materia che non emette
luce e che è quindi difficile da rivelare con i normali
metodi di osservazione.
Prove evidenti dell’esistenza dell’universo
oscuro provengono tuttavia da molte fonti,
tra cui osservazioni astrofisiche di ammassi
di galassie, che sarebbero invece separati
se la materia ordinaria fosse la sola cosa
a te nerle insieme. La materia oscura sembra
tenere insieme l’universo.
Ma cos’è questa materia oscura? La fisica delle
particelle offre una possibile spiegazione. Molte
predizioni su quello che troveremo alla scala
del “Tera” comprendono particelle che possono
essere l’origine della materia oscura. Prodotte
copiosamente nel calderone ardente del Big Bang,
un numero sufficiente di queste potrebbe essere
sopravvissuto fino ad oggi sotto forma di materia
oscura cosmologica. Per esserne certi, dobbiamo
produrre queste particelle e misurarne con precisione
le proprietà.
Le teorie supersimmetriche offrono un caso esemplare.
L’LHC e l’ILC dovrebbero essere in grado di
produrre e studiare le particelle supersimmetriche,
se esistono in natura. Queste particelle supersimmetriche
potrebbero costituire la materia oscura
presente nell’universo. Misurando con precisione
le loro masse all’ILC e confrontandole con misure
cosmologiche sempre più precise, potremo determinare
se le particelle supersimmetriche costituiscano
tutta la materia oscura o se manchi ancora
qualcos’altro.

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Credito: Fermilab

02 | L’UNIVERSO QUANTISTICO
due forze
diventano una sola
Per secoli gli uomini hanno sospettato
l’esistenza di una connessione fra
elettricità e magnetismo. Ad esempio,
quando un fulmine colpiva una nave
in alto mare, i marinai notavano
un effetto di disturbo sull’ago della
bussola. Nel XIX secolo James Clerk
Maxwell riuscì ad unificare l’elettricità
e il magnetismo in un solo schema
teorico. La sua teoria combinata,
l’elettromagnetismo, è alla base di
molte tecnologie familiari nelle nostre
vite moderne, dalle lampadine elettriche
alla televisione ai computer.
Oggi puntiamo a scoprire se le quattro
forze (elettromagnetismo, gravità,
forza forte e forza debole) derivino
da una sola forza che si manifesta
come tale solo ad una scala di energia
molto più elevata di quella quotidiana.
Non siamo ancora in grado di
comprendere cosa ci offrirà una
teoria unificata, ma le possibilità sono
potenzialmente illimitate.
un supermondo
parallelo
Oltre alla materia oscura, la
supersimmetria predice tutto un
mondo di particelle supersimmetriche,
ciascuna corrispon dente
alle particelle elementari che
conosciamo oggi. L’ILC illuminerà
questo supermondo parallelo,
ammesso che esista. Le collisioni
fra elettroni e positroni ad alta
energia nell’ILC saranno in grado
di produrre queste particelle
supersimmetriche, consentendoci
di studiarne i diversi tipi e
di misurare le loro interazioni.
Saranno le osservazioni a determinare
la struttura e la definizione
di questo supermondo.
un telescopio
sull’ignoto
La grande precisione di queste
collisioni fra elettroni e positroni
consentirà all’ILC di fungere
da telescopio per esplorare, in
maniera indiretta, energie molto
superiori a quelle che qualsiasi
acceleratore di particelle potrebbe
mai ottenere direttamente.
Tuttavia, per ora, la nostra vista
è oscurata dalla mancanza di
conoscenza della fisica che esiste
alla scala del “Tera”. I dati dell’ILC
metterebbero la scala del “Tera”
al centro dell’attenzione e ci
fornirebbero un telescopio per
osservarla. L’ILC ci offrirebbe una
veduta su un mondo ad energie
mille miliardi di volte oltre la sua,
nel campo dell’energia ultraelevata
dove le forze della natura
potrebbero diventare unificate.
La particella di Higgs
Determinare il motivo
dell’esistenza della particella
di Higgs
Trovare altri cugini della
particella di Higgs
Scoprire gli effetti delle
extra dimensioni
Scoprire una nuova
fonte di asimmetria tra
materia e antimateria
Determinare l’origine
della massa
L’UNIVERSO QUAN
0
IL MAELSTROM
DELL’ENERGIA
OSCURA
L’ultima unificazione
Scoprire una forza della
natura precedentemente
ignota
Collegare l’unificazione alle
extra dimensioni e alla
teoria delle stringhe
L’OCEANO DEL
BIG BANG
LA TERRA
DELL’UNIFICAZIONE
ULTIMA
Collegare nuove forze
all’unificazione dei quark, di
altre particelle quali i neutrini
e le particelle di Higgs
MAR DELL

TISTICO
E TEORIE
Supersimmetria
Rivelare la natura della
supersimmetria
L’ISOLA DI
HIGGS
IL PASSAGGIO
PROVVISORIO
1 anno luce
Scoprire la natura supersimmetrica
della materia
oscura
Rivelare l’unificazione di
tutte le forze e della materia
ad energie elevatissime
LA SCOGLIERA DELLA
SUPERSIMMETRIA
L’ARCIPELAGO
DELLE EXTRA
DIMENSIONI
MAR DEI
GRANDI MISTERI
Frontiera della conoscenza
Extra dimensioni
LA TERRA
EMERSA DELLA
MATERIA OSCURA
Capo
Antimateria
MAR DEI
QUARK
TERRITORIO
NOTO
Monte
Einstein
Scoprire il numero e la forma
delle extra dimensioni
Determinare quali particelle
viaggiano nelle extra
dimensioni
Scoprire dove si trovano
le particelle nelle extra
dimensioni
MAR DEI PICCOLI
MISTERI
PORTO DEL
MODELLO
STANDARD
Prato di
Newton
Materia oscura
scenari di scoperta
Qualunque cosa scopra l’LHC, l’ILC
è la macchina necessaria per chiarire
a fondo tali scoperte e ampliarne
l’ambito. L’esatto scenario delle
scoperte dipenderà dalle scelte della
natura, ma esistono numerose ed
entusiasmanti opportunità.
Scoprire se le particelle
pesanti, debolmente interagenti,
sono parte della
materia oscura
Misurare l’abbondanza
di particelle debolmente
interagenti
credito: form one
Collegare i candidati alla
materia oscura a teorie sulle
extra dimensioni, alla supersimmetria
e ad una teoria
ultima dell’unificazione
Utilizzare le proprietà della
materia oscura per sondare
l’universo alle sue origini, creando
una finestra sul Big Bang
18 | 19

03 | ILC: LA MACCHINA PER IL FUTURO
Scienziati ed ingegneri provenienti da
tutto il mondo stanno collaborando
ai progetti di Ricerca e Sviluppo per
l’International Linear Collider.
Credito: Fermilab

03 ILc: La macchIna Per IL futuro
Raggiungere i nostri ambiziosi obiettivi di fisica sarà una sfida davvero difficile. L’International Linear
Collider non ci consentirà semplicemente di ampliare le frontiere della nostra conoscenza dell’universo;
ci sta sfidando sin da ora a sondare nuovi terreni in molti settori diversi tra di loro: la tecnologia avanzata
degli acceleratori, l’ingegneria dei materiali e lo sviluppo dei rivelatori. Team internazionali di scienziati
e ingegneri stanno lavorando a fondo per sviluppare il progetto.
creare lo strumento giusto
L’esplorazione dell’Universo Quantistico con gli
acceleratori è come utilizzare un fascio di luce
per cercare metodicamente, nel buio, qualcosa
di piccolo.
Il nostro obiettivo è di fare scontrare gli elettroni e
le loro antiparticelle, i positroni, ad energie totali
fino a 500 miliardi di elettron volt (0,5 Tera elettron
volt), l’intervallo di energie dove prevediamo
di ottenere accesso a molti dei fenomeni misteriosi
che abbiamo provato a descrivere. Quando gli
elettroni e i positroni si urtano, si annichilano in
uno stato di pura energia che diventa disponibile
per creare nuove particelle che possiamo rivelare.
Ciò fornisce un ambiente che ci consentirà di
eseguire misure estremamente precise. Sappiamo
di avere bisogno di una determinata frequenza di
collisioni fra elettroni e positroni, o ‘luminosità’,
per produrre abbastanza interazioni interessanti
da misurare e studiare. Questi sono gli elementi
che ci consentono di impostare i parametri per la
progettazione dell’ILC.
L’ILC è il nostro riflettore per illuminare l’ignoto.
Sappiamo qualcosa su ciò che stiamo cercando: la
materia oscura, il bosone di Higgs, le extra dimensioni
e le particelle supersimmetriche. E sappiamo
dove dirigere il riflettore per trovarle... e magari
scoprire lungo il percorso cose che non ci aspettavamo.
Fino ad ora, i nostri riflettori non hanno
esplorato abbastanza a fondo. Costruendo l’ILC, ne
avremo uno in grado di farlo.
20 | 21

03 | ILC: LA MACCHINA PER IL FUTURO
ILc: una guida passo per passo
Come funziona l’ILC? Come qualsiasi macchina complessa, l’acceleratore lungo 31
km è composto da diversi sistemi, ciascuno dei quali è una componente essenziale
per lanciare le particelle a velocità vicine a quella della luce. Questa guida dettagliata
spiega il funzionamento della macchina.
Elettroni
Per produrre elettroni dirigeremo
impulsi luminosi ad alta
intensità, della durata di due nanosecondi,
da un laser verso un
bersaglio ed estrarremo miliardi
di elettroni per ciascun impulso.
Gli elettroni verranno raccolti
utilizzando campi elettrici e
magnetici per creare pacchetti di
particelle e lanciarli in un acceleratore
lineare lungo 250 metri
che aumenta la loro energia fino
a 5 GeV.
Positroni
I positroni, i partner degli elettroni nell’antimateria,
non esistono naturalmente sulla Terra. Per produrli,
invieremo un fascio di elettroni di alta energia
attraverso un ondulatore magnetico, una speciale
disposizione di magneti in cui gli elettroni sono
inviati su un percorso a ‘montagne russe’. Questo
moto turbolento farà sì che gli elettroni emettano
un fascio di raggi X. Subito dopo l’ondulatore magnetico
gli elettroni ritorneranno nell’acceleratore
principale, mentre i fotoni colpiranno un bersaglio
in lega di titanio e produrranno coppie di elettroni
e positroni. I positroni saranno raccolti e lanciati a
loro volta nel loro acceleratore che li porterà a 5 GeV
dopo un percorso di 250 metri.
elettroni
acceleratore lineare principale
non in scala
I rivelatori
Viaggiando l’uno verso l’altro quasi alla velocità della luce, i pacchetti di elettroni e di
positroni si scontreranno con un’energia di circa 500 GeV. Registreremo le spettacolari collisioni
in due giganteschi rivelatori di particelle che si alterneranno nella raccolta dei dati.
Questi rivelatori operano come fotocamere giganti, scattando istantanee delle particelle
transeunti prodotte dalle collisioni elettroni-positroni. Per catturare le preziose informazioni
su ciascuna particella prodotta in ogni interazione, i due rivelatori incorporeranno
tecnologie all’avanguardia, diverse ma complementari. Avere due rivelatori consentirà un
vitale controllo incrociato delle eventuali scoperte che potranno manifestarsi come effetti
estremamente sfuggenti.
Sorgente di
positroni

Gli acceleratori lineari
Due acceleratori lineari principali (denominati linac), uno per gli elettroni e l’altro per i positroni, ciascuno
dei quali lungo 12 km, accelereranno i pacchetti di particelle verso il punto di collisione. Ciascun acceleratore
è composto da strutture cave denominate cavità superconduttrici, annidate all’interno di una serie di serbatoi
raffreddati noti come criomoduli. I moduli utilizzano elio liquido per raffreddare le cavità fino a –271 °C,
temperatura solo leggermente superiore allo zero assoluto, per renderle superconduttrici. Le onde elettromagnetiche
riempiono le cavità per ‘spingere’ le particelle, accelerandole ad energie fino a 250 GeV. Ciascun
pacchetto di elettroni e positroni conterrà un’energia di circa un kilojoule, che corrisponde ad una potenza
media del fascio di circa 10 megawatt. L’intero processo di produzione di elettroni e positroni, attenuazione
e accelerazione sarà ripetuto cinque volte al secondo.
Sorgente di elettroni
anelli attenuatori acceleratore lineare principale
Gli anelli attenuatori
Una volta creati, né i pacchetti di elettroni né quelli
di positroni sono abbastanza compatti da generare
l’elevata densità necessaria a produrre copiose
collisioni all’interno dei rivelatori. Due anelli
attenuatori, della circonferenza di 6,7 km, uno per
gli elettroni e uno per i positroni, risolveranno
questo problema. In ciascun anello, i pacchetti attraverseranno
ripetutamente una serie di ondulatori,
dispositivi che fanno sì che le traiettorie dei
fasci ‘oscillino’ in modo tale da rendere i pacchetti
più compatti. Ciascun pacchetto impiega circa due
decimi di secondo ad attraversare il proprio anello
attenuatore, circolando in esso circa 10.000 volte
prima di essere espulso. I magneti manterranno le
particelle sul percorso, focalizzate nelle loro orbite
circolari attorno all’anello. All’uscita dagli anelli
attenuatori, i pacchetti saranno lunghi pochi millimetri
e più sottili di un capello.
31 km
Positroni
lunghezza = 310 campi di calcio
Credito: form one ®
I sistemi di trasporto del fascio
Per massimizzare la luminosità, i pacchetti di
particelle devono essere estremamente piccoli. Una
serie di magneti, disposti lungo sistemi di trasporto
del fascio lunghi 2 km su ciascun lato del punto
di collisione, concentreranno i fasci in pochi
nanometri di altezza ed in poche centinaia di
nanometri di larghezza. I sistemi di trasporto del
fascio elimineranno le particelle che si allontanano
dall’orbita principale del fascio e proteggeranno i
sensibili magneti e rivelatori. I magneti guideranno
gli elettroni e i positroni in scontri frontali.
22 | 23

03 | ILC: LA MACCHINA PER IL FUTURO
Tutti i criomoduli devono superare una serie di test minuziosi.
Credito: KEK

Le sfide principali
Energia
Le scale di energia che sonderemo con l’ILC sono
ben oltre quelle mai ottenute da qualsiasi collisionatore
di elettroni-positroni. Per ottenere
un’energia del fascio fino a 250 GeV per particella,
raggiungendo quasi 500 GeV per collisione, sarebbero
necessari 167 miliardi di batterie standard AA
una dopo l’altra.
Tecnologia superconduttrice
Una particella carica può essere accelerata solo da un
campo elettrico. Per fornire l’accelerazione necessaria,
utilizzeremo cavità superconduttrici al niobio. Il
campo elettrico di accelerazione è stabilito fornendo
impulsi di energia nelle cavità, che sono immerse in
elio liquido ad una temperatura di –271 °C. Le cavità
sono alloggiate in serbatoi circondati da scudi termici
e da un serbatoio esterno (un criostato) per isolarle
dall’esterno, che sarà più caldo di esse di 300 °C. A
spingere in avanti elettroni e positroni saranno ben
8.000 cavità, ciascuna lunga un metro, per ciascun
acceleratore lineare e collocate nei criomoduli.
Il gradiente di accelerazione
Per le particelle, accelerazione significa sia un
aumento di velocità che un aumento di energia. La
sfida consiste nel fornire loro la massima energia
sulla minima distanza possibile. Il gradiente di accelerazione
è una misura di quanto un acceleratore
possa aumentare l’energia di una particella di un
dato valore, tipicamente espresso in volt per metro.
Quanto più elevato è questo gradiente, tanto più
corto, e quindi più economico, può essere l’ILC. Per
una data lunghezza della macchina, il gradiente
determina l’energia finale degli elettroni e dei positroni
prima che essi si scontrino. La fisica di base
definisce un limite superiore per le cavità superconduttrici.
Stiamo cercando di avvicinare le nostre
cavità quanto più possibile a questo limite. Quindici
anni fa il massimo gradiente ottenuto era di circa
cinque milioni di volt al metro. Con intense attività
di Ricerca e Sviluppo questo valore è aumentato
drasticamente e il nostro obiettivo di gradiente per
l’ILC è ora di 31,5 milioni di volt al metro.
Credito: DESY
cavità superconduttrici
di niobio
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Come funzionano le cavità superconduttrici?
Un generatore di tensione riempie
ciascuna struttura cava con un campo
elettrico. La tensione del campo cambia
con una determinata frequenza: una
radiofrequenza o RF. Le particelle cariche
avvertono la forza del campo elettrico
e accelerano. Se si costruisce la cavità
a partire da un superconduttore, ad
esempio il niobio, e la si raffredda quasi
allo zero assoluto, si ha una ‘cavità RF
superconduttrice’. Tali cavità conducono
la corrente elettrica quasi senza perdita
di energia, il che significa che quasi tutta
l’energia elettrica è utilizzata per accelerare
il fascio, invece di riscaldare le stesse
strutture acceleranti.
Progettare e costruire le cavità in
modo ottimale non è semplice. Le
cavità, lunghe 1 metro, sono realizzate
a partire da nove celle, levigate per
fornire uniformità della superficie
al livello del micron, e sono prive di
impurezze. Difetti significativi o polvere
sulle superfici potrebbero causare la
perdita della superconduttività senza
sostenere il campo elettrico necessario
per accelerare le particelle. Una
serie di trattamenti e processi chimici
estremamente dettagliati rendono le
cavità letteralmente scintillanti.

03 | ILC: LA MACCHINA PER IL FUTURO
una collaborazione
globale per i rivelatori
Da oltre un decennio l’esplorazione
del menu della fisica possibile, nonché
il lavoro necessario al disegno dei
rivelatori, a sviluppare le loro tecnologie
e alle attività correlate di Ricerca e
Sviluppo, sono stati coordinati da un
impegno globale denominato World
Wide Study (WWS). Il WWS organizza
annualmente seminari internazionali
frequentati da centinaia di fisici. In
queste riunioni, i partecipanti presentano
e discutono nuovi scenari della
fisica e sviluppano e ottimizzano tecniche
per la scoperta e la misurazione
dei nuovi fenomeni.
Il rivelatore di vertici
Al cuore del massiccio sistema di rivelatori
dell’ILC si trova il rivelatore di vertici, un
dispositivo di tracciatura molto compatto, della
dimensione approssimativa di una bottiglia di
vino, che circonda la regione di interazione.
Composto da cilindri di rivelatori in silicio,
questo dispositivo high-tech conterrà in totale
circa un miliardo di pixel, equivalenti a centinaia
delle migliori fotocamere digitali. Opera in modo
molto simile ad una fotocamera 3D o ad un
microscopio, in quanto misura i percorsi delle
particelle in uscita con precisione del micron.
Alcune delle particelle prodotte nelle collisioni
potrebbero contenere esotici quark pesanti,
che vivono per un millesimo di miliardesimo di
secondo prima di decadere in forme più familiari
di materia. Questi quark si rivelano decadendo
in ‘vertici’ molto vicini al punto di collisione, ma
da esso separati. I quark esotici, resi visibili dal
rivelatore di vertici, possono indicare la strada
per una nuova fisica.
credito: Greg Stewart, SLAC
Luminosità
Per poter fare scoperte richiediamo grandi quantità di dati di alta
qualità. Quanto maggiore è la frequenza con cui gli elettroni e i positroni
collidono, tanto maggiore sarà la quantità di dati interessanti
che saranno prodotti. Ciò richiede un’elevata luminosità, espressa
come frequenza di collisioni per unità di area. Il requisito dell’ILC di
luminosità superiore a 10 34 collisioni fra elettroni e positroni per centimetro
quadrato al secondo rappresenta una sfida importante per il
disegno di questa macchina. Possiamo ottenere questa luminosità così
elevata stipando il maggior numero possibile di elettroni e positroni
nei fasci più piccoli che possiamo produrre e accertandoci che i fasci
collidano frontalmente. In pratica ciò significa forzare oltre 10 miliardi
di elettroni e positroni in fasci alti circa 5 nanometri e larghi 500
nanometri, infine dirigendo i pacchetti a scontrarsi utilizzando sistemi
avanzati di feedback.
I rivelatori di particelle
I rivelatori di particelle costituiscono letteralmente la parte centrale
dell’ILC. I rivelatori racchiuderanno il punto in cui gli elettroni e i
positroni collidono e forniranno le informazioni necessarie per svelare
l’Universo Quantistico. Per contenere tutti i componenti, i cavi ed un
potente magnete saranno lunghi, alti e larghi dodici metri, praticamente
delle dimensioni di un edificio di tre piani e peseranno diverse
migliaia di tonnellate.
Impiegando tecnologie all’avanguardia, molte delle quali erano
inconcepibili 10 anni fa, i rivelatori registreranno ogni collisione che
si verifica e ogni particella prodotta. Milioni di canali di elettronica
registreranno le preziose informazioni e garantiranno che nulla
sia perduto.
Grazie a queste informazioni, saremo in grado di ricostruire ogni
collisione e di esaminare ciascun ‘evento’ di questo tipo con precisione
sufficiente a comprendere ciò che si è verificato. Questa analisi ci
aiuterà a trovare gli eventi che contengono particelle di materia
oscura, la particella di Higgs, le particelle supersimmetriche (o altre
cose completamente impreviste) e a studiarle in maggior dettaglio.
All’ILC intendiamo utilizzare i rivelatori per misurare le collisioni con
una precisione mai raggiunta prima.

Credito: KEK
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Le cavità superconduttrici, della
lunghezza di 1 metro ciascuna, sono
realizzate in puro niobio, e trattate e
testate dagli scienziati per garantire
capacità ad elevate prestazioni per
particelle in accelerazione.

04 | UN PROGETTO GLOBALE
Credito: Fermilab
04 un Progetto
gLobaLe
L’International Linear Collider sarà uno degli sforzi
scientifici più sofisticati e di maggiori dimensioni.
La pianificazione, la progettazione, il finanziamento
e la costruzione dell’ILC richiederanno una
partecipazione globale e un’organizzazione globale.
La comunità della fisica delle particelle è abituata a
collaborare su scala mondiale, ma costruire l’ILC
richiederà che ciò abbia luogo ad una scala ancora
più grande.

L’impegno per un progetto globale
L’International Committee on Future Accelerators
(ICFA) ha incaricato un sottogruppo, noto come
International Linear Collider Steering Committee
(ILCSC), di pianificare una strategia globale per
l’ILC. Per portare avanti questa strategia, l’ILCSC
ha creato all’inizio del 2005 il Global Design Effort
(GDE), un team internazionale di oltre 60 scienziati
e ingegneri. Il GDE, guidato da Barry Barish,
stabilisce la strategia e le priorità per gli oltre
mille scienziati e ingegneri che, presso università
e laboratori di tutto il mondo, al momento stanno
collaborando al progetto.
Il GDE ha supervisionato la produzione di un
disegno di base per l’ILC, completato alla fine del
2005. Questo progetto è stato utilizzato a sua
volta come punto di partenza per il più dettagliato
Rapporto di riferimento sulla progettazione, che
fornisce una descrizione tecnica del progetto e
include una stima iniziale dei costi. Il Rapporto di
riferimento sulla progettazione rappresenta una
pietra miliare sulla strada che porterà al disegno
ingegneristico finale ed ad una stima più dettagliata
dei costi.
Il Rapporto di riferimento sulla progettazione è il
punto di partenza per identificare le priorità della
prossima fase ingegneristica, nonché per sviluppare
il programma mondiale di Ricerca e Sviluppo
che porterà ad ulteriori riduzioni dei costi e al
miglioramento delle prestazioni.
In parallelo, il World Wide Study ha prodotto un
Rapporto sul concetto di rivelatore. Questo documento
offre il quadro più aggiornato dei disegni
concettuali, dei layout e delle tecnologie per i
rivelatori di particelle.
Il lavoro del GDE è stato monitorato da un gruppo
internazionale di alto livello, composto da rappresentanti
di agenzie di finanziamento di tutto
il mondo: il Funding Agencies for Large Colliders
(FALC). L’ulteriore pianificazione internazionale,
comprendente la preparazione per la costruzione,
continuerà analogamente, in una maniera globalmente
collaborativa.
considerazioni sul sito
La progettazione e lo sforzo di Ricerca e Sviluppo
dell’acceleratore e dei rivelatori per l’ILC sono distribuiti
tra laboratori e università di tutto il mondo.
Nei prossimi anni contiamo di giungere ad un progetto
con un sito concordato a livello internazionale.
Questo passo, di grande portata, dipenderà sia da
informazioni tecniche che da considerazioni dei
governi delle singole nazioni che potrebbero
esprimere interesse ad ospitare l’ILC.
Nella produzione del Rapporto di riferimento sulla
progettazione, il GDE ha valutato alcuni siti campione
nelle Americhe, in Asia e in Europa. Il sito
deve poter ospitare i 72 km del complesso di tunnel
necessario per costruire una macchina lunga 31 km,
con alcune sezioni che si trovano a diverse centinaia
di metri sotto terra. Esisteranno 13 punti di accesso
principali con pozzi e tunnel del diametro massimo
di nove metri. In totale, saranno richiesti oltre
450.000 metri cubi di costruzioni sotterranee, comprendenti
i lunghi tunnel principali, padiglioni e sale
per i rivelatori e le apparecchiature di servizio.
Le preoccupazioni primarie per qualsiasi sito comprenderanno
la stabilità geologica, la qualità delle
rocce in cui sarebbero scavati i tunnel, le vibrazioni
meccaniche nel pavimento di tali tunnel dovute ad
attività sismica, il ‘rumore’ industriale derivante
dai lavori di costruzione e dal traffico e le problematiche
relative all’impermeabilizzazione del
tunnel dalle acque nel terreno. Sono state
eseguite stime dei costi per le
opere di ingegneria civile in
ciascuno dei siti campione, interessando
esperti di costruzioni
di ciascuno sito. Sebbene esistano
variazioni locali dei costi per alcuni
servizi, il costo è risultato essere
approssimativamente lo stesso
per ciascun sito campione preso
in considerazione.
La selezione finale del sito implicherà
la considerazione, da parte di molte
nazioni, di una proposta per ospitare la struttura. Le
procedure dovranno essere concordate dai partner
internazionali di finanziamento.
Credito: DESY
Credito: DESY
28 | 29
Credito: KEK

04 | UN PROGETTO GLOBALE
stima dei costi per la macchina ILc
Il Rapporto di riferimento sulla progettazione fornisce il primo quadro tecnico dettagliato dell’ILC. Uno
dei componenti più importanti nello sviluppo di questo disegno di riferimento è una comprensione
adeguata dei costi per fornire un’indicazione affidabile della scala del progetto. Ugualmente importante
è il fatto che questa stima preliminare contribuirà a guidare la fase finale dell’ingegnerizzazione del
progetto. La stima sarà utilizzata per studiare opzioni che puntano ad un’ulteriore riduzione dei costi,
per il miglioramento delle prestazioni e per lo sviluppo di un programma globale di Ricerca e Sviluppo
che abbia chiare priorità. La stima fornirà anche importanti informazioni sul valore relativo delle diverse
componenti e quindi consentirà ai partner di valutare i loro contributi.
Questa stima fornisce una prima valutazione del costo dell’ILC. Serve come base preliminare per continuare
la fase ingegneristica dell’ILC e queste stime continueranno ad evolvere. Non dovrebbe essere
interpretata come il costo finale o il costo completo del progetto.
Cosa abbiamo stimato?
Abbiamo stimato due quantità: il VALORE per le
parti fornite e la MANODOPERA (in anni-persona).
Queste quantità sono indipendenti dai metodi
di costo nazionali, ma possono essere tradotte in
qualsiasi valuta locale o in qualsiasi sistema di
costi. Il valore totale ha due componenti: il valore
dei componenti condivisi e il valore dipendente dal
sito scelto per ospitare la macchina.
Quali sono i componenti condivisi?
Sono componenti di alta tecnologia ed altre parti
tecniche per i quali è presente una capacità globale
che ci premette di fare una singola stima mondiale.
Ad esempio, tutte le regioni possono fornire molti
prodotti industriali per gli acceleratori, come
magneti, tubi per vuoto, cavi, elettronica di controllo
e alimentatori.
Cosa significa ‘dipendente dal sito’?
Si tratta di elementi quali la realizzazione dei tunnel,
per cui prepariamo stime separate per ciascuna
regione. Gli elementi dipendenti dal sito comprendono
tutte le opere di ingegneria civile e i servizi
pubblici quali la distribuzione di energia elettrica,
i sistemi di raffreddamento dell’acqua e dell’aria e i
sistemi di sicurezza. In genere si prevede che questi
siano componenti i cui costi saranno sostenuti dal
Paese ospitante.
Come siamo arrivati a questa stima?
Abbiamo ottenuto la nostra stima dei costi interessando
esperti tecnici e di costi in Europa, in Asia
e nelle Americhe. Abbiamo utilizzato un processo
contabile che sta diventando standard per progetti
scientifici internazionali quali l’International
Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). In base
ai requisiti tecnici dettagliati dell’ILC, abbiamo determinato
il valore dei componenti in base ad una
richiesta mondiale di offerte per ottenere la qualità
richiesta al costo minimo ragionevole.
SIA LA MANODOPERA sia il VALORE sono stime
acce ttate su scala internazionale per ciascun componente
tecnico. Queste cifre saranno utilizzate
dalle nazioni partner per ripartire i loro contributi
in modo equo. Le stime di VALORE e di MANODOPERA
possono essere convertite dalle singole agenzie di
finanziamento per determinare i costi nei loro sistemi
di valutazione dei costi e in unità monetarie locali.

Tecnologia
dell’acceleratore
lineare SCRF
Trasporto del
fascio al punto di
interazione
Suddivisione approssimativa
della stima dell’ILC divisa per
le principali categorie.
Qual è la stima?
Il valore stimato per i componenti ILC condivisi o
“pacchetti di lavoro” è di 4,79 miliardi di unità di
valore ILC. Un importante risultato del costo del
valore condiviso è stato la fornitura di una solida
base per determinare il valore relativo dei vari
componenti o “pacchetti di lavoro”. Ciò ci consentirà
di dividere in modo equo gli impegni della
collaborazione mondiale. I componenti specifici
del sito e la costruzione civile, che sono correlati ai
costi diretti per fornire l’infrastruttura necessaria
per costruire la macchina, sono stimati in
1,83 miliardi di unità di valore ILC. I valori specifici
del sito sono stati determinati come quasi identici
per i siti campione americani, asiatici ed europei. I
costi effettivi specifici per il sito dipenderanno dal
sito in cui la macchina è costruita e dalle strutture
già esistenti presso la sede. Il valore totale condiviso
e dipendente dal sito, esclusa la manodopera, è perciò
stimato in 6,62 miliardi di unità di valore ILC.
Per questa stima, un’unità di valore ILC corrisponde
a 1 dollaro USA (2007), 0,83 euro o 117 yen.
La manodopera necessaria per supportare la
costruzione è stimata in 14.000 anni-persona o
24 milioni di ore-persona; questa cifra comprende
l’amministrazione e la gestione del progetto,
l’installazione e il test e ipotizza 1.700 ore-persona
per anno-persona. Questa manodopera può essere
fornita in modi diversi, una parte in appalto ed
una parte utilizzando manodopera esistente in
istituzio ni che partecipano alla collaborazione.
Iniettori di elettroni e
di positroni
Infrastruttura di
costruzioni civili
Cosa include e cosa esclude la stima?
Gli importi di VALORE e MANODOPERA
comprendono:
• costruzione di una macchina da 500 GeV e degli
elementi essenziali per permettere l’opzione di
un eventuale potenziamento a 1 TeV;
• industria della lavorazione, progettazioni ingegneristiche
finali e gestione della costruzione;
• costruzione di tutte le strutture convenzionali
tra cui tunnel, edifici di superficie, edifici per
l’assemblaggio dei rivelatori, sale per esperimenti
sotterranei e pozzi di accesso; e
• manodopera, compresa quella per il personale di
gestione e amministrativo.
Gli importi di VALORE e MANODOPERA
comprendono:
• attività ingegneristiche, di progettazione o di
preparazione che devono essere eseguite prima
del finanziamento, ad esempio Ricerca e Sviluppo,
studi di principio e test dei prototipi;
• costi per l’acquisizione dei terreni di superficie o
per servitù presenti sul sottosuolo;
• rivelatori, per i quali si ipotizza il finanziamento
con un accordo separato;
• imprevisti per i rischi; e
• aumento dei prezzi (inflazione).
30 | 31

04 | UN PROGETTO GLOBALE
Gli scienziati dell’ILC che
risiedono in America, Asia ed Europa
si incontrano regolarmente tramite
videoconferenze.
Credito: KEK

Per raggiungere una stima, il GDE ha utilizzato un
pro cesso di contabilità del valore che sta diventando
standard per progetti scientifici internazionali.
I passi successivi
Dal momento della decisione di utilizzare una
tecnologia superconduttrice a metà del 2004 e
dalla successiva fondazione del GDE all’inizio
del 2005, l’ILC ha compiuto notevoli progressi. La
pubblicazione del Rapporto di riferimento sulla
progettazione completa questa fase iniziale e segna
l’inizio di una nuova era.
Credito: DESY
Nei prossimi passaggi evolveremo e miglioreremo il
disegno attraverso un continuo processo di Ricerca
e Sviluppo e ingegnerizzazione dei costi. Puntiamo
a fare scelte ingegneristiche per ottimizzare ulteriormente
le prestazioni relative ai costi. Questo
processo richiederà alcuni anni, utilizzando la base
fornita dal Rapporto di riferimento sulla progettazione,
e condurrà ad un disegno tecnico dettagliato. La
progettazione formerà un piano, con una stima dettagliata
dei costi, in modo che la costruzione dell’ILC
possa iniziare, nel sito selezionato, all’inizio del prossimo
decennio. In parallelo, i team del World Wide
Study continueranno a perfezionare il disegno dei
rivelatori di particelle. A partire dall’approvazione
formale del progetto, stimiamo che il tempo necessario
a costruire il complesso dell’acceleratore e dei
rivelatori sia di circa sette anni.
2005 2006 2007 2008 2009 2010
Configurazione iniziale
PROGETTO GLOBAL DESIGN EFFORT
Progetto di riferimento
Un possibile sviluppo temporale tecnico per l’ILC
Gestione internazionale
32 | 33
Progetto tecnico Programma di Ricerca
e Sviluppo dell’ILC
Interesse espresso ad ospitare l’ILC

05 | LA STRADA VERSO IL FUTURO
Credito: KEK

05 La strada verso
IL futuro
Ogni giorno, centinaia di migliaia di persone salgono su aeroplani per dirigersi verso luoghi che desiderano
esplorare. Ritornano con storie, impressioni e nuove prospettive sulle cose di tutti i giorni.
Ogni giorno nascono centinaia di migliaia di bambini. Man mano che crescono, imparano a formulare
domande sul mondo e sul posto che vi ricoprono. La curiosità, l’esplorazione e la scoperta guidano le
nostre vite e sta a noi stabilire i confini di ciò che desideriamo conoscere.
La prossima generazione
Per esplorare il mondo subatomico, i fisici delle alte
energie devono navigare nel mondo di ogni giorno.
Un tipico fisico potrebbe avere studiato all’università
con americani, tedeschi o indiani, aver condiviso
uno studio con dottorandi coreani o giapponesi, aver
risolto problemi presso una scuola estiva con russi
e francesi, aver stretto amicizie con inglesi e italiani,
aver lavorato sui dati assieme a canadesi e giapponesi
e aver assistito a riunioni in Finlandia e Cina.
Queste esperienze e la conoscenza di culture diverse
diventano per lui una seconda natura. I laureati in fisica
portano con sé, in lavori esterni alle unversità ed
ai laboratori, la loro apertura mentale. Più della metà
degli studenti che ottengono il dottorato in Fisica
delle particelle scelgono di lavorare per l’industria
high-tech, istituzioni finanziarie e attività legate
all’informatica. La richiesta dei loro talenti deriva
dalle loro vaste conoscenze e dalla loro conoscenza
della fisica. Ciò va a vantaggio di tutti.
Oggi, presso laboratori e università di tutto il mondo,
diverse centinaia di studenti, sotto la guida di scienziati
e ingegneri più esperti, stanno già contribuendo
all’ILC. Stanno lavorando insieme superando gli
ostacoli dei fusi orari, delle frontiere e delle lingue.
L’ILC fornisce un punto di riferimento per future collaborazioni
mondiali nella scienza, nella tecnologie
e oltre. Porterà la collaborazione internazionale nella
scienza e nella tecnologia a nuovi livelli e può essere
un modello per i progetti scientifici emergenti del
nostro nuovo secolo.
34 | 35
Credito: DESY

05 | LA STRADA VERSO IL FUTURO
Credito: DESY
Le industrie di tutto il mondo giocheranno
un ruolo importante nella costruzione
dell’ILC, compresa la costruzione di
questi criomoduli.
un percorso rapido per l’industria
Abbiamo bisogno di partner forti nell’industria e
nella tecnologia per realizzare l’ILC. Aziende di tutto
il mondo saranno parte dell’avventura. Produrranno
milioni di componenti, da quelli minuscoli a quelli
di grandi dimensioni, da quelli delicati a quelli robusti.
Molte produzioni porteranno un avanzamento
delle conoscenze tecnologiche in termini di precisione,
affidabilità e volume di produzione. Come
esempio, ecco un elenco di alcune necessità per l’ILC:
• 16.000 cavità superconduttrici di niobio puro;
• 2.000 criomoduli per racchiudere le cavità,
a temperature basse quanto quelle dello
spazio esterno;
• 700 klystron, dispositivi che alimentano la
macchina in maniera analoga ai pacemaker,
operando in sincronizzazione con tempi precisi;
• Oltre 70 km di un complesso di tunnel.
Questi, e molti altri, sono requisiti realmente impegnativi.
Siamo fiduciosi che il settore industriale
saprà accettare la sfida; porterà le ditte coinvolte in
un rapido percorso verso nuovi prodotti e tecnologie
in grado di modificare la nostra vita quotidiana.
Scienziati, ingegneri e rappresentanti dell’industria
stanno già discutendo su come raggiungere questi
obiettivi. In forum industriali in tutto il mondo, gli
esperti scientifici e industriali stanno cooperando per
sviluppare prototipi, ottimizzare le progettazioni per
la produzione di grandi volumi di componenti tecnici
di alta qualità e capire come rispettare le tolleranze e
le specifiche dell’ILC. Tutto ciò deve essere ottenuto ad
un costo contenuto.

L’ILC necessiterà di 16.000 di queste cavità superconduttrici,
prodotte dai partner industriali del progetto.
Componenti provenienti da tutti gli angoli del
mondo dovranno poter essere fatti funzionare
collettivamente senza problemi. Ad esempio, i fasci
non dovranno mai sapere né preoccuparsi di dove
sia stata prodotta una cavità di niobio. I vuoti, le
impurità o le imperfezioni in una cavità potrebbero
danneggiare la superconduttività; nella migliore
delle ipotesi ciò ne comprometterebbe le prestazioni,
mentre nel peggiore influenzerebbe i nostri risultati
scientifici. Dobbiamo comprendere i rischi, minimizzarli
e tenerne conto nella progettazione industriale
in modo da massimizzare le prestazioni complessive.
La comunità della fisica delle particelle è usa a
sviluppare strumenti speciali e sappiamo già che
molte delle nostre tecnologie hanno significative
applicazioni in altri campi vicini alla vita di tutti
giorni. Il World Wide Web è un esempio noto a tutti
che ha trasformato la società. Forse meno ampiamente
noti, ma di profonda importanza, sono i circa
20.000 acceleratori utilizzati oggi per applicazioni in
tutto il mondo. Di questi circa la metà è utilizzata per
diagnostica medica e varie terapie, tra cui quelle dei
tumori. I progressi medici basati su queste tecnologie
continueranno ad avere un forte impatto sulle
nostre vite.
Lo stesso sarà vero per le tecnologie a cui stiamo
lavorando per l’ILC. Oggi gli acceleratori basati
sulla tecnologia superconduttrice sono progettati
e costruiti per essere utilizzati in molti settori della
scienza e della medicina, ad esempio in strumenti
di ultima generazione utilizzati per l’acquisizione di
immagini radiografiche. Lo sviluppo di strumenti e
tecniche di diagnostica avanzata, sistemi di controllo
e metodi per gestire l’isolamento delle vibrazioni,
sono tutti esempi di tecnologie chiave per questi
nuovi strumenti.
Credito: Fermilab
Credito: Fermilab
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Credito: DESY
Credito: KEK

05 | LA STRADA VERSO IL FUTURO
oltre l’orizzonte
Sappiamo quale è la nostra destinazione: fornire
le risposte alle grandi domande della scienza.
Sappiamo quale è il nostro mezzo di trasporto:
l’International Linear Collider. La prossima pietra
miliare del nostro viaggio è il Rapporto tecnico sulla
progettazione, che costituirà la piattaforma da
sottoporre ai governi per la scelta del sito e la
costru zione dell’ILC. Negli anni che ci separano da
questo obiettivo ci proponiamo di ottenere, dalle
nostre ricerche, risultati importanti: miglioreremo
le nostre tecnologie; l’LHC ci fornirà un primo
sguardo alla scala del “Tera”. I risultati attireranno
tutta la nostra immaginazione. Emergeranno
nuove domande e l’ILC sarà il nostro veicolo per
comprendere cosa troviamo con l’LHC.
Quando lanceremo l’ILC, enormi macchine per
scavare tunnel si apriranno la strada attraverso
oltre 70 km di tunnel e pozzi. Ci saranno numerose
pietre miliari: tunnel completati, processi
di produzione portati a termine, primo criomodulo
consegnato, ultimo magnete installato,
rivelatori portati nella loro caverna, primi fasci
nell’acceleratore, prime collisioni, prima scienza.
Siamo ansiosi di raggiungerle.
Quali sono i costituenti fondamentali della materia
e come si uniscono per dare forma al mondo?
Esistono altre dimensioni oltre le tre note ai nostri
sensi di tutti i giorni? Le forze della natura sono
tutte aspetti di un singolo tutto unificato? Da dove
proviene la materia? Qual è la natura della materia
oscura che lega insieme le galassie?
Vogliamo risolvere questi misteri.

GLOBAL DESIGN EFFORT
2008
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