L'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (cern) di Ginevra potenzierà l'acceleratore di particelle più grande del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc), per riuscire a individuare particelle mai osservate e spalancare così le porte alla nuova fisica.
L'obiettivo del progetto High-Luminosity è quello di aumentare la luminosità dell’LHC di ben 10 volte oltre il valore di progettazione. La luminosità è fondamentale per valutare le prestazioni di un acceleratore perché è proporzionale al numero di collisioni di particelle che si verificano in un determinato lasso di tempo.
Maggiore è la luminosità, più dati possono essere raccolti dagli scienziati per consentire loro di osservare fenomeni rari e individuare nuove particelle prodotte durante le collisioni.
L'LHC ad alta luminosità, che dovrebbe essere operativo a partire dal 2026, consentirà di studiare nel dettaglio le nuove particelle osservate, come il bosone di Higgs. Permetterà l'osservazione di processi rari che oggi sono inaccessibili per il livello di sensibilità attuale dell’acceleratore. Ad esempio, l'acceleratore potenziato sarà in grado di generare ogni anno 15 milioni di particelle, i bosoni di Higgs, mentre ne ha prodotti “solamente” 1,2 milioni nel 2011-2012.
Il progetto dell'LHC ad alta luminosità è stato annunciato come la priorità assoluta della strategia europea per la fisica delle particelle nel 2013 e il suo finanziamento è inserito nel piano a medio termine del CERN.
La prima fase del progetto è iniziata nel 2011 con lo studio denominato "HiLumi LHC", che è stato in parte finanziato dalla Commissione europea. Questa prima fase ha visto la partecipazione di molti centri di ricerca di Paesi membri del CERN e anche di Giappone, Russia e USA. I laboratori USA hanno partecipato al progetto grazie al supporto di LARP (programma di ricerca dell'acceleratore LHC statunitense), sovvenzionato dal dipartimento americano dell'energia.
Lo studio di progettazione si è chiuso il 31 ottobre 2015 con la pubblicazione di un rapporto tecnico-progettuale, segnando l'inizio della fase di realizzazione del progetto al CERN e di costruzione industriale.
Il CERN investirà 820 milioni di euro del suo bilancio per 10 anni per lo sviluppo dell'LHC ad alta luminosità. Per raggiungere questo importante aggiornamento, scienziati e ingegneri stanno ottimizzando tutti i parametri dell’acceleratore.
Diverse tecnologie, alcune delle quali sono completamente innovative, sono in fase di sviluppo.
Gianotti, così Lhc potrà esplorare i mattoni dell'universo
Fabiola Gianotti, responsabile del CERN, è convinta che la versione potenziata dell'acceleratore più grande del mondo consentirà di scoprire di che cosa è fatto l'universo, rivelandone i mattoni che lo costituiscono.
Per Fernando Ferroni, presidente dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), uno dei 29 istituti di ricerca dei 13 Paesi che partecipano al progetto, il punto di forza è la nuova tecnologia superconduttiva con cui sono stati realizzati i magneti che permetterà anche di fare ulteriori passi in avanti nel campo della medicina nella risonanza per immagini e favorirà nuove applicazioni.
Diretto dall’italiano Lucio Rossi, che lo ha proposto nel 2010, il progetto verrà completato nel 2026 e consentirà di esplorare ancora più dettagliatamente i costituenti fondamentali dell'universo.
Nuove tecnologie per potenziare l'acceleratore
Se si aumenta la luminosità si aumenta anche il numero di collisioni e quindi il numero di fenomeni da osservare. L'obiettivo è quello di produrre 140 collisioni tra i gruppi di particelle ogni volta che raggiungono il centro dei due rivelatori chiamati Atlas (lato Svizzera) e CMS (lato Francia). Attualmente si raggiungono 30 collisioni. Per raggiungere questo obiettivo, il raggio dovrà avere una intensità e una concentrazione maggiori rispetto all’attuale.
Una sfida particolare sarà riuscire a mantenere costante il livello di luminosità durante tutto il periodo di emissione del fascio. Al momento, diminuisce quando i protoni entrano in collisione e scompaiono. Il progetto dell'LHC ad alta luminosità prevede che la concentrazione del fascio, prima che avvenga l'impatto, sia tale da rendere costante il numero di collisioni.
Per aumentare il numero di collisioni, i raggi saranno più concentrati prima che si scontrino. Il tasso di collisioni verrà aumentato "strizzando" i fasci di protoni che scorrono nell'acceleratore. Questo verrà realizzato grazie a circa 150 nuovi magneti, più compatti e potenti. Alcuni di essi serviranno per concentrare i fasci di protoni e piegarli per farli scorrere nell'anello lungo 27 chilometri dell'acceleratore che collega i due rilevatori CMS e Atlas.
Magneti di nuova generazione, più potenti, tanto da generare un campo magnetico di 12 Tesla (contro gli 8 di quelli attualmente in uso) e che saranno posti su entrambi i lati dei rilevatori CMS e Atlas. In particolare, 12 di questi magneti saranno realizzati con materiale intermetallico superconduttore a base di niobio-stagno.
Vicino a ciascun rilevatore Atlas e CMS verranno installate 16 cavità dette “a granchio”, nelle quali i pacchetti di protoni saranno obbligati a muoversi lateralmente, proprio come un granchio, sempre allo scopo di aumentare il numero di collisioni. Queste cavità super-conduttrici serviranno per inclinare i gruppi di particelle prima della collisione, per allargare la zona in cui si incontrano dando loro uno slancio trasversale.
Nei fasci dell'acceleratore potenziato viaggeranno più particelle per cui sarà necessario rinforzare la protezione della macchina. Questa protezione si basa su dei dispositivi chiamati collimatori che cattureranno le particelle che si allontanano dalla traiettoria del fascio per evitare che danneggino la macchina. Sono in fase di sviluppo nuovi collimatori, realizzati con un materiale che genera meno interferenze elettromagnetiche sul fascio e dotati di un nuovo tipo di strumentazione. Dei 118 collimatori esistenti, 60 saranno sostituiti con il nuovo modello e ne saranno aggiunti un'altra ventina sempre di nuova generazione.
Verranno realizzate anche nuove opere di ingegneria civile, in particolare due nuovi tunnel di servizio lunghi 300 metri accanto alle caverne sperimentali Atlas e CMS per installare apparecchiature che risultano particolarmente sensibili alle radiazioni, ad esempio i convertitori di potenza, che hanno il compito di trasformare la corrente alternata dalla rete elettrica in corrente continua ad elevata intensità per i magneti.
In questi tunnel di servizio saranno installate attrezzature per la criogenia, ovvero per la produzione di temperature bassissime. Saranno inoltre realizzati due nuovi cunicoli, profondi circa 100 metri, per consentire di accedere ai tunnel di servizio dalla superficie.
Nuove linee di trasmissione elettrica, tecnologicamente avanzate e realizzate con materiali superconduttori collegheranno i convertitori di potenza all'acceleratore. Questi cavi saranno realizzati in diboruro di magnesio, un superconduttore resistente alle alte temperature, che può operare a 20 Kelvin ed è più stabile rispetto ad altri superconduttori. I cavi potranno così trasportare correnti di intensità record, addirittura fino a centomila ampere.
Dopo la sensazionale scoperta del bosone di Higgs nel 2012, ora l'acceleratore Lhc si prepara a raccogliere una nuova sfida, ancora più ambiziosa, quella di riuscire a identificare nuove particelle sconosciute e a tracciare così una nuova strada per la fisica.
