Si svolge oggi al CERN di Ginevra la cerimonia inaugurale dei lavori di ingegneria civile per il progetto High Luminosity LHC (LHC ad Alta Luminosità), la nuova fase di aggiornamento del Large Hadron Collider (LHC), l’esperimento di fisica delle particelle che ha permesso di verificare l’esistenza del Bosone di Higgs, ovvero l’elemento chiave necessario alla ulteriore comprensione del Modello Standard (MS). La nuova fase, chiamata anche HiLumi LHC o HL-LHC, permetterà un fattore 10 di maggiore luminosità e di conseguente quantità di eventi rilevabili.
Indicativamente l’attività di LHC è prevista concludersi nel 2023, quella di High Lumi LHC iniziare nel 2026, dopo tre anni di installazione dei nuovi apparati.
All’inaugurazione saranno presenti Fabiola Gianotti, direttore generale del CERN, Lucio Rossi, capo progetto HL-LHC, Isabel Bejar Alonso, responsabile HL-LHC addetto qualità e sourcing, Pierre Maudet, Presidente del Consiglio di Stato della Repubblica e Cantone di Ginevra, Stéphane Bouillon, Préfet della regione Auvergne-Rhône-Alpes, Sijbrand de Jong, Presidente del Consiglio del CERN, Frédérick Bordry, direttore degli acceleratori e delle tecnologie del CERN.
Se la Fisica del ‘900 era giunta alla comprensione della microstruttura subatomica, fino a convenire unanimemente alla descrizione teorica e sperimentale essenziale del MS, la teoria di Brout-Englert-Higgs aveva parimenti indicato l’ipotesi di un ulteriore fattore di stabilità intrinseca e di interazione delle particelle subatomiche, attraverso il cosiddetto bosone di Higgs.
La ricerca del bosone di Higgs è stata al fondamento della costruzione dell’LHC al CERN di Ginevra: in circa un trentennio di ricerche (1984-2010: dalla concezione al progetto, dalla realizzazione alla attivazione dell’esperimento) ne ha potuto riscontrare l’esistenza attraverso l’analisi dei dati derivati dalle potenti collisioni di particelle nei principali rivelatori ATLAS e CMS. Questi rivelatori ne hanno registrato le prime principali e rare tracce caratteristiche, generate dalle collisioni di fasci di protoni accelerati in LHC lungo i 27 km di lunghezza del tunnel in cui è alloggiato.
Il riconoscimento ufficiale dell’esito di tali ricerche, che hanno coinvolto circa 7mila scienziati dai paesi membri del CERN, oltre ai circa 1500 ricercatori e tecnici del CERN, è stato formalizzato nel Nobel 2013 a François Englert e Peter W. Higgs: i fisici teorici di quella originaria concezione ancora in vita (Robert Brout essendo deceduto nel 2011), da loro indipendentemente proposta in pubblicazioni nel 1964.
Come già accennato in alcuni precedenti articoli, è ora in corso lo studio dell’immensa mole di dati derivante da queste sessioni di collisioni, sistematicamente indagate con complessi algoritmi di analisi mirati all’identificazione dei fenomeni nel microcosmo delle particelle, vagliandone gli esiti nella comunità scientifica internazionale e divulgandone i risultati nelle numerose pubblicazioni scientifiche sistematicamente presentate dai ricercatori.
Una “nuova fisica” si è spalancata agli scienziati a fronte di queste nuove qualità della Natura. Infatti sia a scala subatomica che a quella macroscopica della fisica cosmica, si stanno svelando simmetriche ed inattese dinamiche fondamentali, nei campi di ricerca finora metaforicamente denominati come antimateria, energia oscura, materia oscura ecc.
Va ricordato come la condizione all’origine di queste indagini è maturata anche grazie quella che è stata definita la “Big Science”: ovvero la cultura della collaborazione sistematica e continuativa degli scienziati del pianeta in cui, grazie anche alle tecnologie digitali e all’utilizzo del Web (inventato al CERN nel 1989), la conoscenza e le elaborazioni di ciascun ricercatore sono progressivamente messe in rete e condivise dalla comunità scientifica.
Anche per questi motivi l’inaugurazione di HL-LHC segna sia un importante incremento di potenziale quantitativo di ricerca futura, ma apre ad inedite scoperte in regioni e fenomeni della fisica della particelle che solo le prossime generazioni potranno sistematicamente esplorare.
Per comprenderne solo quantitativamente i fattori possiamo ricordare come è previsto indicativamente che l’HL LHC produrrà 15 milioni di bosoni di Higgs all’anno rispetto agli 1,2 milioni in totale generati dall’LHC tra il 2011 e il 2012.
È importante notare come i protagonisti di questa nuova fase sono gli stessi ricercatori e sperimentatori delle tecnologie che, accettata la sfida di nuove tecnologie disponibili all’inizio della loro carriera ed ora “senior” in LHC, sono stati in grado di promuovere e progettare questa ulteriore “upgrade” in HiLumi LHC. Rivolgiamo perciò a Lucio Rossi, responsabile delle costruzione dei magneti superconduttori di LHC e ora HL-LHC Project Leader sin dalla proposta inziale nel 2010, alcuni quesiti sulla sua esperienza di progettualità e trasmissione del sapere in questo percorso di innovazione e sfide tecnologiche davvero epocale.
Quali essenziali sfide sperimentali ed innovazioni tecniche inedite avete dovuto affrontare per questo potenziamento?
Dobbiamo innovare in molti campi, sviluppando tecnologie all’avanguardia per i magneti, l’ottica dell’acceleratore, cavità superconduttrici a radiofrequenza e collegamenti superconduttori. Circa 1,2 km dell’LHC saranno sostituiti da queste nuove tecnologie, che includono i magneti superconduttori da 12 Tesla: superconduttori costruiti utilizzando un composto superconduttore di niobio e stagno, molto più avanzato ma anche molto più complesso, del niobio-titanio su cui sono basati gli attuali magneti superconduttori di LHC. Questi concentreranno fortemente il raggio per aumentare la probabilità di collisioni che si verificano e verranno installati su ciascun lato degli esperimenti ATLAS e CMS. Ci sono anche nuove cavità superconduttrici a radiofrequenza, chiamate “Crab Cavity” (letteralmente “cavità a granchio”), che saranno usate per orientare il raggio prima della collisione per aumentare l’area in cui i fasci si sovrappongono. Nuove linee di trasferimento elettrico, basate su superconduttori ad alta temperatura, saranno in grado di trasportare correnti di intensità record per l’acceleratore, fino a 100.000 A su lunghezze di oltre 100 metri.
In che modo le sue precedenti esperienze di progettazione scientifica nei contesti internazionali presenti al CERN hanno reso possibile le innovazioni verso cui siete ora diretti?
Tutte queste tecnologie sono state esplorate dal 2011 nell’ambito dello studio HiLumi LHC Design, parzialmente finanziato dal programma FP7 della Commissione europea. HiLumi LHC ha riunito un gran numero di laboratori dagli Stati membri del CERN, nonché da Russia, Giappone e Stati Uniti. Gli istituti americani hanno partecipato al progetto con il supporto del programma LHC Accelerator Research Program (LARP) degli Stati Uniti, finanziato dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti. Circa 200 scienziati provenienti da 20 paesi hanno collaborato a questa prima fase di successo.
Le nuove generazioni di ricercatori quale consapevole propensione alla “lunga durata” intergenerazionale dimostrano rispetto alla loro attività in questi esperimenti?
Attualmente è normale che un ricercatore o ingegnere che lavora in questo settore nella sua carriera possa partecipare a solo uno o due grandi progetti, vista la durata ventennale o più, di questi. Per non fossilizzarsi, è importante che ciascuno sappia trovare il proprio spazio con gli stimoli giusti, magari partecipando a diversi “sottoprogetti” e non rimanere ancorati a una sola tecnologia. In effetti il gigantismo può essere un rifugio: lavoro in grandi team con responsabilità molto diluita, con la ricerca che diventa una routine un po’ soffocante. Ma può essere anche un’occasione: si può passare da un sottoprogetto all’altro per vedere diverse tecnologie, e diversi metodi di lavoro, passare dalla costruzione ai controlli, dalle misure di laboratorio al project management. Insomma come sempre tutto dipende molto dalla iniziativa e dalla capacità di adattarsi alla realtà. L’esercizio della libertà, mettendo in gioco le proprie inclinazioni e prendendo qualche rischio, è ciò che fa la differenza, anche in questi grandi e lunghi progetti.
Insieme a Rossi passiamo in rassegna brevemente alcune delle innovazioni tecnologiche che saranno introdotte.
Luminosità. HL-LHC, previsto per essere operativo dopo il 2025, aumenterà la luminosità di LHC di un fattore 10. La luminosità rappresenta un indicatore essenziale delle prestazioni di un acceleratore: è proporzionale al numero di collisioni verificabili in un intervallo di tempo. Proporzionalmente alla luminosità, maggiori sono i dati che i rivelatori degli esperimenti possono tracciare per osservazione di processi rari.
Ottica del fascio senza precedenti. Aumentare la luminosità significa aumentare il numero di collisioni. L’obiettivo è quello di produrre 140 collisioni ogni volta che i moli di particelle si incontrano nel centro dei rivelatori ATLAS e CMS, rispetto ai 30 attuali. Si procederà a realizzare un raggio sarà più intenso e più concentrato rispetto a quello ottenibile in LHC. Un altro obiettivo da raggiungere sarà nel mantenere a un livello costante la luminosità per tutta la durata del raggio. Attualmente, diminuisce nel momento in cui i protoni si scontrano e scompaiono. In HL-LHC, la messa a fuoco del raggio (la concentrazione del raggio prima dell’impatto) sarà progettata in modo tale che il numero di collisioni rimanga costante.
Magneti di messa potenziati. Per incrementare il numero di collisioni, i fasci saranno più focalizzati prima che entrino in collisione. Nuovi potenti magneti quadrupolici, generando un campo magnetico a 12 tesla (rispetto a 8 tesla per quelli attualmente nel LHC) e saranno installati su entrambi i lati degli esperimenti ATLAS e CMS. Dodici di questi magneti, costituiti da un composto intermetallico superconduttore di niobio e stagno saranno installati vicino a ciascun rivelatore.
Crab cavities. Queste cavità superconduttrici inclinano i grappoli di particelle prima della collisione per allargare l’area in cui si incontrano imprimendone un momento trasversale. Sedici cavità superconduttrici a radiofrequenza saranno installate vicino a ciascuno degli esperimenti ATLAS e CMS.
Protezione rinforzata della macchina. Poiché i fasci conterranno più particelle, sarà necessario rinforzare la protezione della macchina. Questa protezione è basata su collimatori, dispositivi che assorbono le particelle che si allontanano dalla traiettoria del raggio e potrebbero altrimenti danneggiare la macchina. Nuovi collimatori, realizzati con un materiale che produce meno interferenze elettromagnetiche sul fascio e dotati di nuova strumentazione, sono in fase di sviluppo. Circa 60 dei 118 collimatori esistenti saranno sostituiti da nuovi collimatori e verranno aggiunti da 15 a 20 nuovi.
Magneti di piegamento più compatti e potenti. L’anello LHC è già pieno di attrezzature. Per consentire l’inserimento di ulteriori collimatori, quattro magneti a dipolo da 15 metri saranno sostituiti con quattro paia di magneti più corti (ciascuno di 5,5 metri) e quattro collimatori. Questi nuovi magneti dipoli saranno più potenti poiché devono piegare la traiettoria dei protoni oltre 11 metri anziché 15. Anch’essi sono basati sul composto intermetallico di stagno niobio superconduttore e genereranno un campo magnetico di 11 tesla, rispetto a 8,3 tesla per gli attuali magneti a dipolo.
Lavori di ingegneria civile. Due nuovi tunnel di servizio lunghi 300 metri saranno scavati accanto alle caverne sperimentali ATLAS e CMS per alloggiare apparecchiature particolarmente sensibili alle radiazioni, come i convertitori di potenza, che trasformano la corrente alternata dalla rete elettrica in corrente continua ad alta intensità per i magneti. Altre apparecchiature, in particolare relative alla criogenia, verranno spostate in questi tunnel di servizio. Saranno inoltre scavati due nuovi pozzi, con una profondità di circa 100 metri, per consentire l’accesso ai tunnel di servizio dalla superficie.
Linee di trasmissione superconduttrici innovative. Le innovative linee di trasmissione elettrica superconduttori collegheranno i convertitori di potenza all’acceleratore. Questi cavi saranno realizzati da un materiale superconduttore ad alta temperatura, di boruro di magnesio, che opererà a 20 Kelvin ed è più stabile di altri superconduttori. Saranno in grado di trasportare correnti di intensità record, fino a 100.000 ampère!
Una catena acceleratrice rinnovata. Le prestazioni dell’LHC e del suo successore fanno affidamento sulla catena dell’iniettore, i quattro acceleratori che pre-accelerano le travi prima di inviarle nell’anello da 27 chilometri. Questa catena di acceleratori viene aggiornata come parte del progetto LIU (LHC Injectors Upgrade). Un importante passo avanti nel processo di aggiornamento arriverà nel 2020 quando un nuovo acceleratore lineare, Linac4, il primo anello della catena, sostituirà l’attuale Linac2. Sono previsti anche miglioramenti per gli altri tre collegamenti nella catena dell’acceleratore: PS Booster, PS e SPS.
(Federico Alberto Brunetti e Mario Gargantini)
