La fisica moderna si trova di fronte a un paradosso: mai come oggi disponiamo di strumenti teorici sofisticati e comprensione profonda delle leggi fondamentali dell'universo, eppure gli esperimenti necessari per fare il passo successivo richiedono risorse e tecnologie che sfidano i limiti del possibile. Cosa accadrebbe se i fisici potessero progettare i loro esperimenti ideali senza vincoli di budget, ingegneria o fattibilità politica? Cinque ricercatori di fama internazionale hanno accettato di condividere le loro visioni più ambiziose, rivelando non solo progetti audaci ma anche le domande fondamentali che tengono sveglia la comunità scientifica.
Huangyu Xiao, fisico teorico presso la Boston University e Harvard University, immagina una costellazione di radiotelescopi dispersi nello spazio profondo, separati da distanze pari a decine di volte quella tra la Terra e il Sole. L'obiettivo sarebbe studiare i lampi radio veloci (FRB), esplosioni di energia della durata di millisecondi provenienti dalle regioni più remote del cosmo. Questi fenomeni, la cui origine rimane misteriosa, potrebbero diventare uno strumento straordinario per indagare la materia oscura attraverso una tecnica completamente innovativa: misurare le differenze infinitesimali nei tempi di arrivo dello stesso FRB osservato da telescopi distanti.
La chiave scientifica di questo approccio risiede nella ricerca degli assioni, particelle ipotetiche candidate a costituire la materia oscura. Gli assioni furono originariamente proposti per risolvere un enigma teorico nella cromodinamica quantistica, ma la cosmologia prevede che lascino "impronte digitali" specifiche nella distribuzione della materia oscura su scale estremamente piccole, paragonabili a quelle del sistema solare. Finora, l'unica evidenza della materia oscura proviene dai suoi effetti gravitazionali su scale cosmologiche molto maggiori. Una missione spaziale di questo tipo, che Xiao stima costerebbe miliardi di dollari, rappresenterebbe il primo tentativo di misurare la gravità della materia oscura su piccola scala, potenzialmente svelando la sua natura fondamentale.
Jesse Thaler del Massachusetts Institute of Technology propone invece un collisore di muoni, un'idea che fino a pochi anni fa sembrava relegata alla fantascienza. I muoni sono particelle elementari 200 volte più pesanti degli elettroni, il che li rende molto più efficienti da accelerare rispetto a questi ultimi. A differenza dei protoni utilizzati nel Large Hadron Collider del CERN, i muoni non sono composti da quark, quindi le loro collisioni permetterebbero di sondare energie più pure e definite, aprendo potenzialmente la strada alla scoperta di particelle più massicce del bosone di Higgs o persino alla comprensione della natura della materia oscura.
Il problema principale è che i muoni sono instabili, decadendo in milionesimi di secondo. In questo tempo brevissimo sarebbe necessario crearli, confinarli, accelerarli quasi alla velocità della luce e farli collidere. Fortunatamente, la teoria della relatività speciale di Einstein viene in aiuto: quando i muoni viaggiano a velocità prossime a quella della luce, dalla nostra prospettiva sembrano esistere più a lungo grazie alla dilatazione temporale. Nel 2014, la comunità statunitense di fisica delle particelle aveva abbandonato lo sviluppo di un collisore di muoni a causa di ostacoli considerati insormontabili, in particolare il "raffreddamento 6D" necessario per trasformare nubi diffuse di muoni in fasci coerenti e densi. Tuttavia, intorno al 2020, una serie di innovazioni tecnologiche ha riacceso l'interesse, culminata nel 2023 con un rapporto ufficiale che raccomandava di perseguire il progetto, raccomandazione poi sostenuta dal panel delle National Academies statunitensi.
Thorsten Schumm della TU Wien di Vienna insegue un sogno ancora più esotico: costruire il primo laser a raggi gamma della storia. I laser tradizionali funzionano grazie all'emissione stimolata di fotoni da parte di elettroni eccitati negli atomi. Un laser a raggi gamma opererebbe sullo stesso principio, ma utilizzando l'emissione stimolata di neutroni o protoni eccitati all'interno del nucleo atomico, producendo radiazioni nella parte più energetica dello spettro elettromagnetico. Un dispositivo simile potrebbe permettere di monitorare la costante di struttura fine, che misura l'intensità dell'elettromagnetismo tra particelle e rappresenta uno dei misteri più profondi della fisica fondamentale.
La sfida tecnica è formidabile: le eccitazioni quantistiche nucleari avvengono a energie molto superiori rispetto a quelle degli elettroni, e i raggi gamma non possono essere piegati o focalizzati da specchi o lenti convenzionali. La soluzione individuata da Schumm passa attraverso il Torio-229, un isotopo straordinariamente raro di cui esistono solo pochi grammi sul pianeta. Tra i circa 3500 isotopi conosciuti, questo è l'unico con uno stato eccitato del neutrone a energia sufficientemente bassa da essere manipolabile con strumenti standard della fisica atomica. Nel 2023, il gruppo di Schumm è riuscito per la prima volta a eccitare il neutrone più esterno del Torio-229 e a rilevare il raggio gamma emesso quando ritorna allo stato fondamentale. Per eccitare il neutrone è necessario esporre il nucleo a un segnale periodico con una frequenza di 2 milioni di miliardi di oscillazioni al secondo, creando un "orologio nucleare" che il team ha implementato nel 2024.
Abhishek Banerjee di Harvard University affronta invece la crisi di scala dei computer quantistici, che oggi manipolano circa 100 qubit ma necessiterebbero di milioni per applicazioni pratiche rivoluzionarie. Il problema principale è la gestione del divario termico: la maggior parte dei sistemi utilizza qubit superconduttori mantenuti appena sopra lo zero assoluto, ma questi devono comunicare con chip classici che operano a temperatura ambiente. Banerjee lavora su un'architettura ibrida quantistica-classica che permette ai componenti di coesistere sullo stesso chip, eliminando questo collo di bottiglia.
Durante una conversazione casuale su un volo, Banerjee ha realizzato che l'architettura che stava sviluppando assomiglia sorprendentemente alla teoria proposta dal fisico Roger Penrose, che ipotizza che la mente emerga al confine tra incertezza quantistica e realtà classica. Penrose aveva speculato che i neuroni potrebbero sfruttare effetti quantistici all'interno di strutture biologiche chiamate microtubuli, un'ipotesi ancora non dimostrata. Tuttavia, mentre il cervello umano è caldo e rumoroso, i chip superconduttori sono freddi, puliti e silenziosi: potrebbero rappresentare l'ambiente ideale per esplorare questo confine. Banerjee si chiede se un'intelligenza artificiale classica avvolta attorno a un nucleo quantistico possa mostrare comportamenti "simili alla mente", combinando imprevedibilità e logica in modi che le attuali AI basate su silicio non possono replicare.
La visione più grandiosa proviene da Arttu Rajantie dell'Imperial College London: un collisore di particelle sotterraneo che circonda la Luna, lungo 11.000 chilometri. L'obiettivo è rispondere a una delle domande più fondamentali della cosmologia: perché l'universo è composto quasi esclusivamente di materia e non di antimateria? Nel 1789, Antoine Lavoisier formulò la legge di conservazione della materia, pilastro della chimica che afferma che la materia non può essere creata né distrutta. Nella fisica delle particelle moderna, questo principio si traduce nella conservazione del numero barionico: il numero totale di barioni (protoni e neutroni) meno i loro corrispondenti di antimateria rimane costante in ogni reazione mai osservata.
Eppure sappiamo che nell'universo primordiale esistevano quantità uguali di materia e antimateria, mentre oggi osserviamo una predominanza schiacciante di materia. Il modello standard della fisica delle particelle prevede che questo possa accadere attraverso un effetto chiamato tunneling quantistico, che permette ai campi di passare tra stati diversi separati da una barriera energetica. In teoria quantistica dei campi, questi processi sono descritti da oggetti matematici chiamati istantoni, che si ritiene fossero abbondanti nell'universo primordiale caldo ma sono incredibilmente rari oggi, tanto che non ne abbiamo mai osservato uno.
Rajantie e il suo collega David Ho hanno calcolato che un campo magnetico intenso potrebbe accelerare drasticamente queste reazioni, ma i campi necessari sono centinaia di volte più potenti di quelli producibili al LHC. La soluzione è venuta leggendo la proposta dei fisici del CERN James Beacham e Frank Zimmermann per un collisore lunare, che potrebbe essere costruito utilizzando risorse lunari e alimentato da energia solare con tecnologie attuali. Le collisioni di nuclei di elementi pesanti come il piombo in questo collisore gigantesco potrebbero raggiungere le intensità di campo necessarie per osservare i processi istantonici. Il risultato più straordinario sarebbe la capacità di creare materia da pura energia o distruggerla completamente, infrangendo finalmente la legge di Lavoisier vecchia di due secoli e rivelando come la materia che costituisce tutto ciò che conosciamo sia stata creata nell'universo primordiale.
Questi esperimenti immaginari, alcuni tecnicamente plausibili entro decenni, altri ancora lontani dalla realizzabilità, condividono una caratteristica comune: puntano verso le frontiere dove la nostra comprensione dell'universo si dissolve nell'ignoto. Rivelano le domande che definiscono la fisica contemporanea: la natura della materia oscura, l'asimmetria materia-antimateria, i limiti delle costanti fondamentali, l'emergere della complessità dal quantum. Anche se nessuno di questi progetti vedrà la luce nell'immediato futuro, servono da bussola concettuale, indicando dove la fisica dovrebbe dirigersi quando le barriere tecnologiche ed economiche cominceranno a cedere. Come dimostra la storia del Globatron immaginato da Fermi nel 1954, oggi realizzato nelle energie raggiunte dal LHC, i sogni impossibili di oggi possono diventare la scienza rivoluzionaria di domani.