"Stiamo facendo tutto il possibile"

"High Intensity Muon Beams" (fasci di muoni ad alta intensità), abbreviato in "HIMB", è una delle due parti del progetto di aggiornamento IMPACT. Può descriverci in breve l'idea alla base di questo progetto?

Thomas Prokscha: Uno degli impianti più importanti che abbiamo qui all'Istituto Paul Scherrer PSI è l'acceleratore di protoni HIPA, acronimo che significa "High Intensity Proton Accelerator", ovvero acceleratore di protoni ad alta intensità. Questo acceleratore serve tre grandi impianti di ricerca, ciascuno dei quali è dotato di numerose stazioni di sperimentazione. Il mio team si interessa in particolare alla produzione di muoni. Disponiamo dei fasci di muoni più intensi al mondo. Questo è il motivo per cui molti gruppi di ricerca vengono da noi per condurre esperimenti, utilizzando tali fasci. Ma anche 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 due "High Intensity Muon Beams" (fasci di muoni ad alta intensità) che fanno parte del progetto IMPACT dovrebbero raggiungere un'intensità cento volte superiore, ovvero contenere un numero cento volte maggiore di muoni.

Quali settori di ricerca ne trarranno beneficio?

Le due nuove linee di fasci di muoni serviranno a rispondere a quesiti di ricerca molto diversi. In primo luogo viene la ricerca fisica di base. Per quanto attiene a quel campo si misurano con la massima precisione le proprietà dei muoni stessi. Oppure si utilizzano i muoni per determinare il raggio dei protoni e di altri nuclei atomici. Tali esperimenti forniscono importanti conoscenze sulle leggi fondamentali della natura e ci permettono di sottoporre ad un meticoloso esame le teorie della fisica delle particelle, considerando che l'aumento di cento volte dell'intensità del fascio consente una precisione finora mai raggiunta.

In secondo luogo, il fascio di muoni può essere utilizzato per analizzare i materiali, ma a differenza della radiografia con raggi X, riceviamo le informazioni sulle proprietà dei materiali dai muoni che si fermano nei siti interstiziali all'interno del materiale. Il mio team di ricerca opera proprio in questo campo, noto con il nome di   "spettroscopia di spin muonico".

In che modo si può immaginare questa tecnica?

I muoni sono, per così dire, i fratelli "pesanti" degli elettroni. Come questi ultimi, anche i muoni possiedono una carica elettrica ed essendo dotati del cosiddetto spin, possiedono anche un piccolo momento magnetico. Poiché i muoni stessi sono magnetici grazie al loro spin e si fermano nel materiale, a differenza dei raggi X si ricevono in questo caso ulteriori informazioni di importanza decisiva sui campi magnetici all'interno di un materiale. Pertanto, la spettroscopia di spin muonico ci offre possibilità entusiasmanti e uniche per conoscere le proprietà magnetiche di materiali molto diversi tra loro. Tuttavia, le opzioni sperimentali sono attualmente ancora piuttosto limitate.

Questo dipende dall'intensità del fascio di muoni?

Non è l'unica ragione. Disponiamo già dei fasci di muoni più intensi al mondo. Ma al momento non siamo in grado, in linea generale, di utilizzare tutti i muoni per la spettroscopia di spin muonico, ma solo una parte. Vogliamo quindi migliorare sotto due aspetti: in primo luogo, vogliamo avere a disposizione un numero nettamente maggiore di muoni e, in secondo luogo, desideriamo renderne utilizzabile una parte maggiore.

Quali sono i fattori limitanti?

I muoni decadono nel campione in altre particelle, in particolare in positroni, che sono le antiparticelle degli elettroni. Tuttavia, la velocità con cui siamo attualmente in grado di misurare questo processo è limitata. In questo momento possiamo misurare solo un muone alla volta, quando colpisce il campione. Questo è dovuto al fatto che non sappiamo quale muone dal fascio entri esattamente nel campione. Dobbiamo quindi lavorare con intervalli temporali e possiamo raccogliere dati solo se un singolo muone è rimasto nel campione per una breve finestra temporale fino al suo decadimento. Al momento riusciamo comunque a farlo fino a 40.000 volte al secondo.

Ma in futuro si prevede che la situazione subisca un notevole miglioramento?

Proprio così, vogliamo raccogliere molti più dati in meno tempo. E potremo poi anche esaminare campioni decisamente più piccoli. Questo è importante per numerosi gruppi di ricerca che si rivolgono a noi con materiali completamente nuovi. Spesso è molto difficile produrre campioni di maggiori dimensioni di questi nuovi materiali, ovvero con un diametro superiore a un millimetro. Con l'aggiornamento, saremo in grado di esaminare in dettaglio anche questi.

Quali modifiche tecniche sono necessarie a tal fine?

L'illuminazione simultanea con molti muoni è resa possibile grazie ai grandi progressi compiuti, nell'ambito della fisica delle particelle, nello sviluppo dei rivelatori.  I nostri partner di collaborazione di Magonza e Heidelberg hanno sviluppato un cosiddetto rivelatore monolitico a pixel di silicio che presenta caratteristiche uniche. Con uno spessore di circa 50 micrometri, è molto più sottile dei rivelatori di particelle precedenti. Di conseguenza, interferisce appena con i muoni e i positroni di decadimento ad essi associati. Installiamo quindi semplicemente questi rivelatori attorno al campione. In questo modo sappiamo quanti muoni colpiscono il campione, quando e dove lo fanno e quale positrone di decadimento appartiene a quale muone. In questo modo possiamo utilizzare un fascio di muoni molto più potente. In precedenza ciò non sarebbe stato assolutamente possibile. In futuro questi rivelatori saranno ulteriormente migliorati in collaborazione con il Laboratorio di fisica delle particelle presso l'Istituto Paul Scherrer PSI.

E come si riesce ad aumentare la potenza del fascio di muoni?

Per ottenere un miglioramento così netto e aumentare di circa cento volte il numero di muoni nel fascio, dobbiamo veramente impegnarci al massimo. A tal proposito occorre comprendere che i muoni sono particelle definite esotiche ed effimere, che a loro volta si formano come prodotti secondari delle collisioni tra particelle. Per produrre i muoni, come prima cosa spariamo il fascio di protoni dall'acceleratore di particelle HIPA su un bersaglio di grafite. In questo materiale, i protoni interagiscono con i nuclei atomici di carbonio e generano i cosiddetti pioni, che a loro volta decadono quasi istantaneamente in muoni. Per prima cosa dobbiamo raccogliere questi muoni con magneti speciali. Grazie a un sistema magnetico di nuova progettazione sviluppato presso l'Istituto Paul Scherrer PSI, otterremo già in questa fase un fattore dieci in più di muoni rispetto al vecchio sistema. Un altro fattore dieci lo tiriamo fuori dal miglioramento del trasporto dal bersaglio di grafite fino all'esperimento. Fino ad ora molti muoni andavano perduti proprio lungo questo percorso. Anche in questo caso il nuovo sistema magnetico svolge un ruolo decisivo.

Quali misurazioni diventeranno possibili grazie all'HIMB?

In futuro potremo effettuare, in parole povere, una tomografia magnetica 3D con i muoni. E tutto questo in modo molto più rapido e con una risoluzione migliore rispetto al passato. Ciò consentirà di gettare uno sguardo più acuto all'interno dei materiali. Questo apre prospettive davvero avvincenti che difficilmente potrebbero essere ottenute con altri procedimenti, soprattutto nel caso dei materiali magnetici, dei materiali quantistici di nuova generazione e anche dei superconduttori.

E in futuro potremo anche studiare campioni nettamente più piccoli, di appena un millimetro di diametro, all'incirca; finora il limite minimo era di circa quattro millimetri. Questo miglioramento è significativo perché spesso è impossibile produrre nuovi materiali in grandi quantità e, in linea di massima, si hanno campioni soltanto di pochi millimetri. Pertanto, con il nuovo impianto, sarà finalmente possibile per molti gruppi di ricerca utilizzare la spettroscopia di spin muonico.

Avete ricevuto già molte richieste?

Dei gruppi di ricerca di tutto il mondo stanno già informandosi sulle nuove possibilità. Ma, come prima cosa dobbiamo convertire l'impianto. Ciò avverrà durante il lungo stop operativo, che durerà dal 2028 fino alla metà del 2029. Fino a quel momento ci aspetta molto lavoro, per tutti noi, se vogliamo essere preparati alla perfezione. Se poi tutto filerà liscio come previsto, arriveranno sicuramente numerose richieste. Siamo curiosi di vedere se anche i clienti provenienti dal mondo dell'industria vorranno accedere all'impianto. Finora abbiamo lavorato principalmente con partner provenienti dal mondo della scienza. Attualmente ci sono davvero molte start-up del campo della tecnologia quantistica che stanno sviluppando nuovi materiali quantistici. La spettroscopia di spin muonico potrebbe rivelarsi molto utile in quell'ambito. Posso ben immaginare che in futuro avremo vari clienti provenienti da quel settore.