LHC verso il futuro: al CERN partono i test per aumentare di dieci volte la luminosità
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CERN avvia i test su scala reale dell’HiLumi LHC con il raffreddamento criogenico a 1,9 K della IT String, banco prova da 95 metri che replica l’assetto sotterraneo dei nuovi magneti inner triplet in Nb3Sn destinati a moltiplicare la luminosità del Large Hadron Collider dal 2030.
Il CERN ha raggiunto una tappa tecnica di primaria importanza nel percorso di aggiornamento del Large Hadron Collider (LHC): l’avvio del raffreddamento criogenico a 1,9 kelvin del banco prova lungo 95 metri che riproduce fedelmente la configurazione sotterranea dei nuovi sistemi magnetici destinati all’High-Luminosity LHC (HiLumi LHC).
Si tratta di un passaggio chiave nella validazione dell’infrastruttura che entrerà in funzione dopo il periodo di fermata tecnica LS3 e che consentirà, a partire dal 2030, un aumento di un ordine di grandezza del numero di collisioni tra protoni. L’obiettivo è incrementare in modo sostanziale la luminosità, parametro che misura il numero di interazioni per unità di superficie e di tempo, determinando la quantità di dati fisici disponibili per gli esperimenti.
Che cos’è l’HiLumi LHC e perché rappresenta un salto tecnologico
L’HiLumi LHC costituisce il più importante programma di potenziamento dell’acceleratore europeo degli ultimi vent’anni. Il progetto mira a moltiplicare per dieci la luminosità integrata rispetto ai livelli nominali del LHC attuale.
Un aumento di luminosità comporta una crescita proporzionale del numero di collisioni osservabili dagli esperimenti. Questo si traduce in:
- maggiore statistica per processi rari;
- misure più precise delle proprietà del bosone di Higgs;
- sensibilità ampliata verso fenomeni oltre il Modello Standard.
La fisica delle alte energie richiede grandi quantità di dati per isolare segnali estremamente deboli dal rumore di fondo. Il potenziamento della luminosità consente di esplorare regimi finora accessibili solo in modo limitato.
La IT String: replica in scala reale dell’assetto sotterraneo
Il banco prova denominato Inner Triplet String (IT String) è stato costruito in una sala di test in superficie. La sua funzione è riprodurre con precisione l’architettura che verrà installata nel tunnel dell’LHC in prossimità degli esperimenti ATLAS e CMS.
La lunghezza complessiva di 95 metri consente di integrare:
- magneti di focalizzazione inner triplet;
- sistemi criogenici;
- linee di alimentazione elettrica;
- sistemi di protezione e allineamento.
Ogni sottosistema era già stato collaudato individualmente. Il banco prova ha la funzione di verificare il comportamento collettivo in condizioni operative reali, con particolare attenzione all’interazione tra componenti meccaniche, elettriche e criogeniche.
Il raffreddamento a 1,9 K: significato fisico e complessità ingegneristica
Il sistema è progettato per operare a 1,9 kelvin (-271,3 °C), temperatura alla quale l’elio liquido entra in uno stato superfluido. Questa condizione garantisce proprietà termiche eccezionali, tra cui elevatissima conducibilità termica e assenza di viscosità macroscopica.
Il raffreddamento della IT String avviene tramite un sistema di refrigerazione e distribuzione dell’elio liquido ad alta complessità. La discesa progressiva della temperatura richiede diverse settimane per evitare sollecitazioni termomeccaniche eccessive sulle strutture magnetiche e sulle connessioni criogeniche.
L’LHC è già oggi il più grande impianto criogenico al mondo. L’integrazione dei nuovi magneti in Nb3Sn mantiene la temperatura operativa di 1,9 K, ma introduce requisiti più stringenti in termini di stabilità e protezione contro le transizioni resistive.
I magneti inner triplet: cuore dell’aumento di luminosità
Il miglioramento della luminosità si fonda sull’installazione di nuovi magneti di focalizzazione ai lati dei punti di interazione degli esperimenti.
Gli attuali magneti del LHC utilizzano una lega superconduttrice di niobio-titanio (NbTi). L’HiLumi introduce magneti basati su niobio-stagno (Nb3Sn), materiale capace di sostenere campi magnetici significativamente più elevati.
Perché il Nb3Sn è strategico
Il composto Nb3Sn consente di generare campi magnetici superiori rispetto al NbTi. Questo permette:
- una maggiore forza di focalizzazione dei fasci;
- una riduzione del parametro β*, che descrive la dimensione del fascio nel punto di collisione;
- un incremento diretto della luminosità.
Il Nb3Sn presenta tuttavia una maggiore fragilità meccanica rispetto al NbTi e richiede processi di fabbricazione e trattamento termico complessi. L’integrazione su larga scala rappresenta una sfida ingegneristica di primo piano.
Cavità crab e collimatori a cristallo: tecnologie inedite per acceleratori di protoni
L’HiLumi LHC introduce soluzioni tecnologiche mai adottate in precedenza in un acceleratore di protoni.
Cavità crab superconduttrici
Le crab cavities sono cavità radiofrequenza superconduttrici che inclinano i fasci prima della collisione. L’obiettivo è massimizzare la sovrapposizione dei pacchetti di protoni nonostante l’angolo di incrocio imposto dalla geometria dell’anello.
Questa tecnica consente di recuperare luminosità senza aumentare ulteriormente la corrente del fascio.
Collimatori a cristallo
I crystal collimators sfruttano la struttura reticolare di cristalli orientati per deviare particelle fuori traiettoria. Il controllo più efficiente dell’alone del fascio riduce il rischio di danni ai magneti superconduttori.
Linee di trasferimento in superconduttori ad alta temperatura
Le nuove linee di alimentazione utilizzano superconduttori ad alta temperatura per trasportare potenza ai magneti con minori perdite e maggiore efficienza energetica.
LS3: la trasformazione dell’acceleratore
L’estate segnerà l’inizio del Long Shutdown 3 (LS3), un periodo di quattro anni dedicato alla trasformazione dell’infrastruttura LHC in configurazione HiLumi.
Durante LS3 verranno:
- installati i nuovi magneti inner triplet;
- integrate le cavità crab;
- aggiornati sistemi criogenici e di protezione;
- modificata parte della struttura del tunnel.
La validazione preventiva tramite IT String consente di ottimizzare procedure di installazione, sequenze di connessione e protocolli di messa in servizio.
Impatto sugli esperimenti ATLAS e CMS
Gli esperimenti ATLAS e CMS stanno affrontando un aggiornamento parallelo. L’aumento di luminosità comporta un numero molto più elevato di collisioni simultanee per ogni crossing di fasci, fenomeno noto come pile-up.
Per gestire questa complessità sono previsti:
- nuovi rivelatori a pixel ad alta granularità;
- sistemi di trigger potenziati;
- architetture di calcolo avanzate per l’analisi dei dati.
La capacità di ricostruire eventi rari in presenza di centinaia di interazioni sovrapposte richiede innovazioni significative sia nell’hardware sia negli algoritmi.
Collaborazione internazionale e struttura del progetto
Il progetto HiLumi LHC è coordinato dal CERN con la partecipazione di quasi 50 istituti in oltre 20 Paesi. Il finanziamento proviene dagli Stati membri e associati, con contributi aggiuntivi da Paesi europei e da Stati non membri come Stati Uniti, Giappone, Canada e Cina.
Questa cooperazione riflette la natura globale della fisica delle alte energie e la complessità tecnica di un’infrastruttura che coinvolge competenze in:
- fisica dei materiali;
- ingegneria criogenica;
- elettromagnetismo applicato;
- tecnologie RF;
- sistemi di controllo industriale.
Il significato scientifico dell’aumento di luminosità
La scoperta del bosone di Higgs nel 2012 ha completato il quadro del Modello Standard, ma molte proprietà restano da misurare con precisione. L’HiLumi LHC consentirà di investigare:
- l’autointerazione del bosone di Higgs;
- processi di produzione doppiamente rari;
- canali di decadimento con sezioni d’urto estremamente basse.
L’autointerazione del campo di Higgs è legata alla forma del potenziale elettrodebole e fornisce indicazioni sui primissimi istanti dell’evoluzione cosmica.
Prospettive operative verso il 2030
Il completamento del raffreddamento della IT String rappresenta un passaggio intermedio verso l’installazione definitiva nel tunnel. La validazione dei sistemi integrati riduce il rischio tecnico e consente di pianificare con maggiore precisione le operazioni di LS3.
L’entrata in funzione prevista per il 2030 aprirà una nuova fase sperimentale per la fisica delle particelle ad alta energia. L’aumento di luminosità, unito ai rivelatori aggiornati e agli strumenti avanzati di analisi dati, estenderà il raggio di esplorazione dell’LHC su fenomeni finora al limite della sensibilità sperimentale.
Il raffreddamento a 1,9 K della IT String segna dunque un passaggio concreto dalla progettazione alla piena verifica operativa delle tecnologie che sosterranno il futuro dell’acceleratore europeo. L’esito positivo dei test su scala reale costituisce il presupposto tecnico per la trasformazione dell’infrastruttura e per l’espansione delle capacità sperimentali della fisica delle alte energie nel prossimo decennio.