Zece ferestre către viitorul fizicii particulelor

Materialul de prezentare a actualizării din 2026 a Strategiei europene pentru fizica particulelor a fost publicat în octombrie. În acest articol, Paris Sphicas (președintele Comitetului European pentru viitorul acceleratoarelor și membru al Secretariatului de strategie al actualizării din 2026 a Strategiei europene pentru fizica particulelor) evidențiază principalele concluzii din fiecare dintre cele 10 teme privind știința fundamentală și tehnologia.

Câmpul Higgs, reprezentare grafică

Un pas major în direcția conturării viitorului fizicii particulelor în Europa a fost făcut la 2 octombrie, odată cu publicarea Physics Briefing Book - innput pentru actualizarea din 2026 a Strategiei Europene pentru fizica particulelor.

În ciuda celor 250 de pagini, aceasta reprezintă un rezumat al cantității uriașe de muncă reflectate în cele 266 de contribuții scrise la procesul strategic și în deliberările de pe timpul Open Symposium de la Veneția din iunie (vezi CERN Courier, septembrie/octombrie 2025, p. 24).

Cartea, compilată de Physics Preparatory Group, reprezintă o sinteză impresionantă a cunoștințelor actuale din fizica particulelor și o previzualizare a perspectivelor promițătoare oferite de programele viitoare. Ea furnizează baza științifică pentru definirea priorităților pe termen lung ale Europei în fizica particulelor și pentru determinarea acceleratorului-fanion care va duce cel mai departe domeniul. În acest scop, cartea compară domeniile de aplicabilitate fizică ale diferitelor mașini-candidat, care adesea au puncte forte diferite în explorarea noii fizici dincolo de modelul standard al fizicii particulelor fundamentale (SM).

Este dificil să se condenseze toate acestea în câteva fraze, însă două mesaje sunt clare:
- dacă următorul accelerator de la CERN va fi unul electron–pozitron, explorarea noii fizici se va face în principal prin măsurători de înaltă precizie;
- iar cea mai profundă pătrundere în structura fizicii dincolo de SM prin căutări indirecte va fi obținută prin explorarea combinată a domeniilor: bosonul Higgs, forța electroslabă și de arome (flavour).

După o perspectivă vizionară asupra domeniului din partea teoriei, cartea împarte explorarea viitorului fizicii particulelor în șapte sectoare ale fizicii fundamentale și trei piloni tehnologici care le susțin.

1. Fizica Higgs și electroslabă

În noua eră deschisă de descoperirea bosonului Higgs, persistă numeroase întrebări fundamentale, inclusiv dacă bosonul Higgs este un „scalar elementar” (n.tr. „scalar” vorbește despre spin: o particulă scalară are spin zero; nu are direcție proprie, este aceeași indiferent cum o rotești în spațiu.  O particulă vectorială (ca fotonul) are spin 1; are o direcție asociată (polarizare).  Fermionii (precum electronul) au spin 1/2), parte a unui sector scalar extins sau chiar o poartă spre fenomene complet noi. Cartea subliniază modul în care studiile de precizie ale bosonului Higgs, ale bosonilor W și Z și ale quarcului top vor sonda modelul standard cu o acuratețe fără precedent, căutând semne indirecte ale noii fizici.

Pentru aceasta sunt necesare măsurători extrem de precise ale cuplajelor, ale auto-interacțiunii și corecțiilor cuantice. În timp ce High-Luminosity LHC (HL-LHC) va continua să îmbunătățească numeroase măsurători Higgs și electroslabe, următorul salt calitativ al preciziei va fi adus de viitoarele acceleratoare electron–pozitron, precum FCC-ee, Linear Collider Facility (LCF), CLIC sau LEP3. Iar deși acestea ar oferi informații esențiale, sarcina accesării potențialelor stări grele va reveni mașinilor de frontieră energetică precum FCC-hh sau un colizor de muoni. Folosind cuplajul absolut HZZ de la FCC-ee, asemenea mașini ar măsura cuplajele Higgs cu o precizie mai bună de 1% și auto-cuplajul Higgs la nivelul câtorva procente.

Acest salt anticipat în precizia experimentală va necesita progrese majore în teorie, simulare și tehnologia detectorilor. În deceniile următoare, fizica interacțiunii electroslabe și bosonul Higgs, în particular, vor rămâne pietre de temelie ale fizicii particulelor, legând frontierele preciziei și energiei în căutarea unor legi mai profunde ale naturii.

2. Fizica interacțiunilor tari

Cunoașterea precisă a interacțiunilor tari este esențială pentru înțelegerea materiei vizibile, pentru explorarea modelului standard cu precizie și pentru interpretarea descoperirilor viitoare la frontiera energiei. Pe baza studiilor avansate de QCD (n.tr. cromodinamica cuantică) la HL-LHC, viitoarele acceleratoare electron–pozitron de mare luminozitate, precum FCC-ee și LEP3, asemenea LHeC, ar permite măsurarea constantei de cuplare tare cu precizie, precum și o înțelegere îmbunătățită a tranziției dintre regimurile perturbativ și neperturbativ ale QCD.

LHeC ar aduce precizie sporită asupra funcțiilor de distribuție a partonilor, utile pentru multe măsurători la FCC-hh. Acesta din urmă ar deschide o nouă frontieră majoră pentru studierea interacțiunii tari.

O înțelegere profundă a interacțiunii tari necesită și studiul materiei care interacționează puternic în condiții extreme, prin coliziuni de ioni grei. Experimentele ALICE și celelalte de la LHC vor continua să clarifice această fizică, oferind informații despre universul timpuriu și interiorul stelelor neutronice.

3. Fizica aromelor (flavour physics)

Prin măsurători de înaltă precizie ale proceselor quarcurilor și leptonilor, studiile de aromă testează modelul standard la scări de energie mult mai mari decât cele accesibile direct acceleratoarelor, datorită sensibilității la efectele particulelor virtuale din buclele cuantice. Abateri mici de la predicțiile teoretice ar putea semnala noi interacțiuni sau particule care influențează procese rare ori efecte de violare CP, făcând din fizica aromelor una dintre cele mai sensibile căi spre descoperirea fizicii dincolo de SM.

Eforturile globale sunt conduse în prezent de experimentele LHCb, ATLAS și CMS de la LHC și de Belle II de la SuperKEKB. Aceste experimente au puncte forte complementare: volume mari de date din coliziuni proton–proton la CERN și un mediu curat în coliziuni electron–pozitron la KEK. Combinarea rezultatelor va oferi teste puternice ale universalității leptonice, căutări de dezintegrare exotice și o înțelegere rafinată a efectelor hadronice.

Următorul pas major în fizica aromelor ar necesita eșantioane „tera-Z”, adică un trilion de bosoni Z, de la un colizor electron–pozitron de mare luminozitate, precum FCC-ee, alături de o serie de inițiative experimentale mai restrânse.

4. Fizica neutrinilor

Fizica neutrinilor abordează întrebări fundamentale legate de masele neutrinilor și legăturile lor profunde cu asimetria materie–antimaterie din univers și evoluția cosmică. Experimente viitoare — inclusiv DUNE și Hyper-Kamiokande, experimente de reactor precum JUNO și observatoare de astroparticule (KM3NeT, IceCube) — vor elucida probabil ierarhia maselor neutrinilor și vor descoperi violarea CP în sectorul leptonic.

În paralel, continuă vânătoarea de dezintegrare dublă beta fără neutrini. Un astfel de semnal ar indica faptul că neutrinii sunt fermioni Majorana — dovadă incontestabilă a existenței unei fizici noi. Aceste eforturi extind aria fizicii particulelor dincolo de acceleratoare și adâncesc conexiunile dintre discipline.

Capitolul evidențiază sinergia tot mai mare dintre experimentele pe neutrini, studiile de la colizoare, cercetările astrofizice și cosmologice, precum și rolul crucial al dezvoltării teoretice.

Măsurătorile de mare precizie ale interacțiunilor neutrinilor oferă un sprijin esențial pentru măsurarea oscilațiilor și pentru domeniile fizicii nucleare și astroparticulelor. Noile instalații bazate pe acceleratoare explorează împrăștierea neutrinilor la energii mai mari, în timp ce progresele în tehnologia detectorilor au făcut posibilă măsurarea împrăștierii coerente a neutrinilor, deschizând astfel noi oportunități pentru căutarea fizicii dincolo de modelele actuale. Fizica neutrinilor este o activitate cu adevărat globală, cu o participare europeană puternică și un rol esențial jucat de platforma pentru neutrini de la CERN.

5. Mesagerii cosmici

Fizica astroparticulelor și cosmologia oferă din ce în ce mai multe informații noi și complementare față de experimentele de fizică a particulelor efectuate în laborator, în încercarea de a răspunde întrebărilor fundamentale despre univers.

Printre realizările recente din aceste domenii se numără măsurători de înaltă precizie ale perturbațiilor cosmologice în radiația cosmică de fond (CMB) și în studiile galactice, prima măsurare a unui flux extragalactic de neutrini, fluxuri precise de antimaterie și descoperirea undelor gravitaționale.

Valorificarea informațiilor provenite din aceste experimente a dat naștere domeniului astronomiei multi-mesager.

Noua generație de instrumente – de la telescoape de neutrini până la observatoare terestre și spațiale dedicate CMB și undelor gravitaționale – promite rezultate palpitante, cu indicii importante pentru fizica particulelor.

6. Dincolo de modelul standard

Peisajul fizicii dincolo de modelul standard este vast și impune un efort extins de explorare, cu perspective incitante de descoperire. El include sectoare noi scalare sau de calibrare, supersimetria, compozititatea (n.tr. structura particulelor), dimensiuni suplimentare și extensii ale sectorului întunecat care leagă materia vizibilă de cea invizibilă.

Multe dintre aceste modele prezic particule noi sau deviații de la cuplajele modelului standard, care ar putea fi accesibile la acceleratoarele de nouă generație. Cartea arată că viitoarele acceleratoare electron–pozitron, precum FCC-ee, CLIC, LCF și LEP3, au sensibilitate la efectele indirecte ale noii fizici prin măsurători precise ale bosonului Higgs, ale interacțiunilor electroslabe și ale fenomenelor de aromă. Prin măsurători de precizie, aceste acceleratoare vor fi instrumente esențiale pentru a dezvălui efectele virtuale ale noii fizici grele dincolo de domeniul accesibil direct.

În ceea ce privește căutările directe, CLIC ar extinde frontiera energiei până la 1,5 TeV, în timp ce FCC-hh ar urca la zeci de TeV, permițând potențial observarea directă a noii fizici, precum noi bosoni de calibrare, particule supersimetrice sau parteneri scalari grei. Un accelerator de miuoni ar combina precizia cu accesul la energii mari, oferind o platformă compactă pentru descoperiri directe și indirecte.

Capitolul subliniază complementaritatea dintre experimentele de accelerator și cele în afara acceleratoarelor. Experimentele de precizie la energie joasă, căutările momentelor dipolare electrice, dezintegrarea rară și experimentele pentru axioni sau fotoni întunecați explorează noi interacțiuni la cuplaje extrem de mici, în timp ce observațiile astrofizice și cosmologice restrâng noua fizică la scări de masă uriașe.

7. Materia întunecată și sectorul întunecat

Natura materiei întunecate – și, mai general, a sectorului întunecat – rămâne una dintre cele mai profunde enigme ale fizicii moderne.

O gamă vastă de mase și intensități ale interacțiunilor trebuie explorată, incluzând numeroase scenarii posibile: de la axioni ultraușori și fotoni ascunși până la particule masive cu interacții slabe, neutrini sterili și stări compozite grele.

Spațiul teoretic al sectorului întunecat este la fel de dens, cu modele care implică forțe noi sau „portaluri” ce leagă materia vizibilă de cea invizibilă.

Cum nicio tehnică experimentală nu poate acoperi singură toate posibilitățile, progresul va depinde de exploatarea complementarității dintre experimentele de colizor, căutările directe și indirecte ale materiei întunecate și observațiile cosmologice. Diversitatea este aspectul-cheie al acestui program experimental în plină dezvoltare.

8. Știința și tehnologia acceleratoarelor

Cartea examinează căile posibile spre energii și luminozități mai mari oferite de fiecare propunere pentru următorul proiect-fanion al CERN: cele două acceleratoare circulare FCC-ee și FCC-hh, cele două liniare LCF și CLIC și acceleratorul de miuoni; de asemenea, LEP3 și LHeC sunt luate în considerare ca potențiale proiecte intermediare între HL-LHC și următorul colizor de energie înaltă.

Nivelul de pregătire tehnică, costul și calendarul fiecărui proiect sunt analizate, alături de impactul asupra mediului și eficiența energetică. Cele două direcții principale de dezvoltare sunt magneții superconductori de câmp înalt și cavitățile radiofrecvență eficiente.

Magneții superconductori de câmp înalt sunt esențiali pentru FCC-hh, iar tehnologia superconductoare de înaltă temperatură – cu oportunități și provocări unice – ar putea deveni relevantă pentru o a doua etapă a FCC-hh, după FCC-ee. Sistemele RF eficiente sunt necesare tuturor acceleratoarelor. Cercetarea și dezvoltarea privind concepte avansate de accelerare, precum accelerarea prin plasmă (plasma-wakefield) și acceleratoarele de miuoni, sunt promițătoare, dar necesită muncă substanțială înainte de a deveni soluții viabile pentru viitorul colizor.

Menținerea poziției Europei în fruntea științei și tehnologiei acceleratorilor cere un program amplu, susținut în mod constant, pentru laboratoarele și facilitățile de testare. Astfel de investiții rămân importante și pentru aplicații în medicină, știința materialelor și industrie.

9. Detectoare

Numeroase lecții învățate din experimentele LHC și HL-LHC ghidează dezvoltarea noii generații de detectoare, care trebuie să aibă o granularitate mai mare, o rezistență sporită la radiații (în cazul acceleratoarelor de hadroni), o rezoluție temporală mai bună și o capacitate crescută de procesare a datelor.

Detectoarele – „ochii” prin care observăm coliziunile din acceleratoare – necesită un program coerent și pe termen lung de cercetare și dezvoltare. Colaborările dedicate R&D pentru detectoare, create după actualizarea anterioară a strategiei europene, oferă cadrul necesar pentru organizarea și coordonarea acestei activități. Acestea acoperă întreg spectrul de sisteme de detecție: detectoare gazoase pentru rate mari, detectoare lichide și senzori de siliciu de înaltă performanță pentru cronometrare de precizie, identificare de particule, urmărire și calorimetrie avansată.

Toate aceste sisteme vor necesita, de asemenea, progrese în electronica de citire, sistemele de declanșare și procesarea datelor în timp real. Un element nou major este rolul tot mai important al inteligenței artificiale și al detecției cuantice, care oferă deja metode inovatoare pentru analiză, optimizare și proiectarea detectoarelor. Se anticipează că aceste tehnologii vor transforma radical concepția și funcționarea detectoarelor.

Pentru ca Europa să-și mențină poziția de lider, sunt necesare investiții continue în infrastructurile de testare și inginerie, într-o simbioză benefică cu industria. Cercetarea în domeniul detectoarelor reprezintă o poartă către sectoare precum diagnosticul medical și explorarea spațială, oferind tehnologii esențiale – de la imagistică și electronică rapidă până la senzori rezistenți la radiații.

10. Calculul științific

Dacă detectoarele sunt ochii care explorează natura, calculul este creierul care descifrează semnalele primite.

Cartea acordă o atenție deosebită progreselor majore necesare în domeniul calculului și al stocării datelor pentru experimentele viitoare, cu accent pe simulare, gestionare și procesare. Mai puțin solicitantă în resurse, dar la fel de importantă, este analiza datelor.

Planificarea acestor sisteme noi este ghidată de principii de calcul sustenabil – software și centre de date eficiente energetic. Următoarea frontieră este HL-LHC, care va servi drept banc de testare și bază pentru dezvoltările viitoare, precum și exemplu pentru conservarea actualelor date experimentale și software.

Mai multe schimbări de paradigmă promit o revoluție în viitorul calculului în fizica energiilor înalte. Calculul eterogen integrează CPU, GPU și acceleratoare, oferind capacități mult sporite și scalabilitate mai bună decât utilizarea clasică a procesoarelor. Învățarea automată este deja folosită în simularea evenimentelor, reconstrucție și chiar declanșare, iar primele rezultate din calculul cuantic sunt foarte încurajatoare. Combinarea inteligenței artificiale cu tehnologiile cuantice promite o revoluție în toate aspectele software-ului, dezvoltării, implementării și utilizării sistemelor de calcul.

Observații finale

Dincolo de sumarul detaliat al fizicii, două chestiuni generale traversează întreaga lucrare.

Prima: progresul va depinde de interacțiunea continuă dintre experiment, teorie și progresele în acceleratoare, instrumentație și calcul. Dezvoltarea teoretică rămâne la fel de importantă ca întotdeauna, întrucât calculele îmbunătățite vor fi cruciale pentru valorificarea întregului potențial fizic al experimentelor viitoare.

A doua: toate aceste realizări depind de oameni – adevărata forță motrice a programelor științifice. Este esențial ca mediul academic și instituțiile de cercetare să atragă și să sprijine experți în tehnologii de accelerator, instrumentație și calcul, oferindu-le cariere stabile. Angajamentul de a forma noile generații de fizicieni care vor duce mai departe aceste programe de cercetare este la fel de important.

Recitirea acestei cărți pentru a redacta prezentul rezumat a arătat cât de departe a ajuns fizica particulelor – și, mai important, cât de mult mai este de explorat în natură. Ce este mai bun abia urmează!

Lectură suplimentară: R. Forty et al. (The Physics Preparatory Group), 2025, CERN-ESU-2025-001.