La Svizzera punta sulla fisica dei muoni

Si parla raramente dei muoni, eppure in un minuto circa 10.000 di queste particelle attraversano ogni metro quadrato dell’intera superficie terrestre. Considerati i fratelli pesanti degli elettroni, i muoni sono particelle elementari dell’universo ampiamente studiate dai fisici. Il Presidente della Confederazione Guy Parmelin ha appena annunciato la creazione del Centro Nazionale di Competenza per la Ricerca NCCR Muoniverse, guidato da ricercatori del Paul Scherrer Institut e dell’Università di Zurigo. Il vasto progetto di ricerca, che coinvolge anche istituzioni umanistiche come il Museo nazionale svizzero e il sito di epoca romana Augusta Raurica, mira a rafforzare la ricerca di base e applicata nel campo della fisica dei muoni con un investimento totale di 33,87 milioni di franchi. 

Come tutti gli NCCR, Muoniverse riunisce numerosi gruppi di ricerca impegnati a rispondere a domande diverse. Al centro vi è l’infrastruttura scientifica del PSI, già considerata un punto di riferimento internazionale, come spiega la vicedirettrice di Muoniverse Angela Papa, ricercatrice presso il Centro di ricerca sui neutroni e i muoni del PSI: «Il PSI possiede l’impianto di fasci di muoni più intensi al mondo, che ci permette di portare avanti progetti di ricerca unici nel loro genere». 

Gli strumenti per la produzione dei fasci di muoni sono attualmente in fase di potenziamento grazie al progetto IMPACT, che ne aumenterà l’intensità di cento volte. Il fisico sperimentale Thomas Prokscha, direttore ad interim del Laboratorio di spettroscopia di spin muonico presso il Centro di ricerca sui neutroni e i muoni del PSI, sottolinea che «gli altri istituti di ricerca non dormono sugli allori e stanno facendo sempre più passi in avanti. Per questo motivo, con IMPACT vogliamo aumentare ancora e in modo significativo il nostro margine di vantaggio, al fine di rendere l’impianto a prova di futuro per molti anni a venire». 

I progetti di Muoniverse intendono spingersi oltre i miglioramenti previsti da IMPACT, ampliando ulteriormente le capacità dell’infrastruttura. «Ci stiamo avventurando in un territorio tecnologico sotto vari aspetti ancora inesplorato», afferma Klaus Kirch, responsabile del Laboratorio di fisica delle particelle del Centro di ricerca sui neutroni e i muoni del PSI, professore all’ETH di Zurigo e direttore designato di Muoniverse. 

I muoni furono scoperti negli anni Trenta durante gli studi sui raggi cosmici. I ricercatori si accorsero presto dell’esistenza di particelle provenienti dallo spazio con la stessa carica dell’elettrone, la particella negativa che circonda il nucleo degli atomi e consente la formazione delle molecole, ma con una massa maggiore. Allo stesso tempo compresero che la massa dei muoni è inferiore a quella di protoni e neutroni, le particelle che costituiscono i nuclei atomici, e già negli anni Quaranta ne descrissero le principali proprietà. È noto, in particolare, che i muoni interagiscono in modo debole con i nuclei degli atomi e possono quindi penetrare in profondità nella materia. «Questo è un grande vantaggio, perché con i muoni è possibile esaminare anche campioni di materiali più spessi, a differenza degli elettroni, che permettono di vedere solo gli strati più superficiali», spiega Kirch. D’altra parte, i muoni hanno una vita media molto breve e decadono rapidamente in altre particelle, rendendo necessario produrli e “maneggiarli” con estrema rapidità durante gli esperimenti.

Numerosi settori industriali d’avanguardia trarranno beneficio dalla presenza di questi impianti e queste competenze in Svizzera, sfruttando la capacità dei muoni di investigare il campo magnetico dei materiali con estrema precisione. I fasci di muoni di tale intensità e purezza consentiranno, ad esempio, di studiare in dettaglio i processi di carica e scarica delle batterie, un ambito di crescente importanza, e di analizzare con grande precisione materiali superconduttori. Proprio grazie alla capacità di sondare l’interno della materia senza danneggiarla, la ricerca con i muoni suscita interesse anche in ambito storico e artistico. Infatti, queste tecnologie rendono possibile individuare strati nascosti nelle opere d’arte, datare reperti archeologici, determinarne la composizione o identificare eventuali contraffazioni.