HiLumi: il progetto del CERN per potenziare LHC

CRONACA – Potenziare il più potente acceleratore di particelle per lavorare su energie sempre più alte e studiare una nuova fisica. Questo è lo scopo di High Luminosity LHC, detto HiLumi LHC, di cui la prima pietra è stata posata il 15 giugno al CERN di Ginevra. Si tratta del più grande progetto di fisica dei prossimi 10 anni e per costruirlo ricercatori e scienziati hanno stanno sviluppando nuove tecnologie. Sia per l’acceleratore che aumenterà la luminosità – cioè il numero di collisioni potenziali per unità di superficie in un dato intervallo di tempo – che i rivelatori, che dovranno essere in grado di osservare e poter analizzare i futuri dati.

Lavorando ad altissime energie, HiLumi contribuirà a chiarire le proprietà del bosone di Higgs, scoperto nel 2012 dagli esperimenti ATLAS e CMS, ma anche di sondare nuove scenari per il Modello Standard della fisica delle particelle. Tra questi la supersimmetria, SUSY, le teorie con extradimensioni e la struttura dei quark. Un obiettivo ambizioso, che vede l’Italia con l’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) in prima linea. Lucio Rossi, project manager di HiLumi LHC, ha commentato: “Con la posa della prima pietra si segna il passaggio dalla fase di progettazione e finalizzazione di ricerca e sviluppo alla fase di costruzione industriale: il conto alla rovescia per il 2026, anno previsto per l’inizio della presa dati ad alta luminosità, è cominciato!”.

HiLumi LHC: cosa cambia

Se LHC è in grado di produrre fino a un miliardo di collisioni protone-protone al secondo, con HiLumi LHC ci sarà un aumento di luminosità da cinque a sette volte. Il Large Hadron Collider a oggi rappresenta il più potente acceleratore di particelle mai realizzato e con questo upgrade le sue potenzialità aumentano ancora. Questo permetterà ai fisici di raccogliere misure più accurate e di investigare fenomeni rari.

Il progetto consiste in una nuova configurazione di LHC in cui è previsto un aumento di un fattore cinque della luminosità di picco, cioè il numero di eventi prodotti al secondo, e di un fattore 10 della luminosità integrata, cioè la quantità di dati complessiva raccolta dagli esperimenti. L’anello sotterraneo in cui vengono prodotte le collisioni si estende per 27 chilometri e di questi 1,2 chilometri saranno sostituiti con nuovi componenti ad alta tecnologia, come magneti, collimatori e cavità di radiofrequenza.

“In termini tecnici, la macchina e i rivelatori sono stati progettati per produrre 300 femtobarn inversi (l’unità di misura della luminosità integrata)”, ha spiegato Rossi. “Con HiLumi raggiungeremo certamente i 3000 femtobarn inversi e, in realtà, stiamo progettando il tutto per poter andare oltre i 4000, per essere pronti nel caso in cui la comunità della fisica delle alte energie ce lo chiedesse.

Per ottenere queste prestazioni non è sufficiente migliorare la macchina, ma “è necessario che anche gli esperimenti siano potenziati. Per osservare qualcosa, infatti, non basta fare luce, bisogna che anche gli occhi siano efficienti, altrimenti è come quando ti puntano una luce intensa dritto in faccia: rimani abbagliato, non vedi più nulla. Stiamo quindi lavorando alla progettazione di un sostanziale upgrade sia dell’acceleratore sia dei rivelatori”.

HiLumi LHC: le nuove tecnologie

Immaginate ora il lungo anello sotterraneo di LHC, una pista magnetica superconduttiva al cui interno vengono accelerati fasci di particelle, ioni o protoni, quasi alla velocità della luce e fatti scontrare in prossimità dei rivelatori ATLAS, CMS, ALICE e LHCb, mentre i prodotti delle collisioni sono osservati e studiati dai più piccoli Totem e LHCf. Per aumentare la luminosità sarà necessario aumentare il tasso di collisioni e questo sarà fatto “strizzando” il fascio di particelle nei punti di interazione.

Per questo motivo HiLumi LHC richiede circa 150 nuovi magneti, in particolare 24 nuovi quadrupoli focalizzanti superconduttori di Niobio-3-Stagno, che consentiranno di raggiungere prestazioni tra il 40 e il 50 percento maggiori rispetto all’attuale configurazione di LHC. Il progetto prevede anche l’installazione di 16 crab cavity, cioè cavità a granchio, che serviranno a massimizzare la sovrapposizione dei pacchetti di protoni nei punti di collisione. Si tratta di cavità superconduttive molto speciali perché manipolano il fascio nel piano trasverso, proprio come un granchio, e assieme ai magneti consentono l’aumento di luminosità. Rossi ha spiegato che dopo l’approvazione del progetto nel 2011 e il suo completamento nel 2015, lo sviluppo dei prototipi è iniziato nel giugno 2016:

“Un terzo elemento fondamentale è la nuova generazione di collimatori, simili a quelli che sono attualmente in LHC, ma realizzati con nuovi materiali: si tratta di dispositivi innovativi che utilizzano fasci di elettroni per collimare l’alone del fascio primario di protoni di LHC. Tra l’altro, per far spazio ad alcuni collimatori speciali, abbiamo sviluppato un magnete superconduttore dipolo da 11 Tesla, sempre con la tecnologia in Niobio-3-Stagno, che sarà installato in anticipo rispetto al resto, già nel 2019-2020. Infine, un’altra componente determinante è rappresentata dai superconducting link, costituiti da cavi superconduttivi di alto amperaggio, fino a 100 kAmpere che consentiranno di spostare gli alimentatori dei magneti, così da portarli lontano dal tunnel e schermarli dalle radiazioni”.

Oltre ai nuovi dispositivi, altri saranno sostituiti in modo da renderli più accessibili per la manutenzione. Inoltre sarà necessario realizzare nuovi edifici, pozzi, caverne e gallerie sotterranee che ospiteranno nuovi dispositivi criogenici, l’alimentazione e altri impianti di tipo elettrico, per il raffreddamento e la ventilazione.

Un upgrade che costa circa 900 milioni di euro e vede l’Italia in prima linea con i suoi ingegneri e ricercatori dell’INFN, e in particolare con il laboratorio LASA di Milano che ha contribuito al design study dei magneti. Ruolo importante anche per i Laboratori Nazionali di Frascati, che hanno contribuito alla fisica della macchina e alle tecnologie del vuoto.

Una nuova luce per una nuova fisica

Gli obiettivi principali di HiLumi LHC sono due: il primo è quello di sfruttare al massimo LHC e di allungarne la vita, mentre il secondo è quello di sviluppare nuove tecnologie. Rossi ha spiegato:

“LHC ha portato a compimento la specializzazione tecnologica sviluppata con il Tevatron. In HiLumi, invece, col Niobio- 3-Stagno stiamo sperimentando qualcosa di nuovo: stiamo costruendo 40 grandi magneti, che rappresentano il 2-3% dei magneti di LHC, e che equivalgono a circa un chilometro di macchina. È un progetto di media scala, non così grande come LHC. Ci possiamo quindi permettere di “sperimentare”, sebbene sempre con margini di sicurezza, come dovuto in una macchina che deve “produrre”. La nostra ambizione è fare con HiLumi un salto tecnologico rispetto ad oggi”.

L’acceleratore LHC continuerà a lavorare con periodi di lunghi stop tecnici durante i lavori, con le nuove componenti che saranno installate nel 2024 e la conclusione del progetto è prevista per il 2026. Poi si inizierà con la presa dati, che potrebbe rendere il progetto operativo fino al 2040. Un “ponte” di 25 anni che, sottolinea Rossi, permetterà di continuare a studiare la nuova fisica fino alla realizzazione di un grande acceleratore di futura generazione:

“È un progetto-ponte perfetto, fatto per concludersi in 25 anni, finché non sarà pronto il nuovo grande acceleratore di futura generazione, su cui stiamo già da tempo discutendo. D’altro canto, nel nostro settore se si è miopi non si va da nessuna parte. Noi siamo lungimiranti per definizione, perché sono queste le scale temporali della fisica delle alte energie, dei grandi progetti di ricerca di base, quelli che poi portano con sé le rivoluzioni scientifiche e tecnologiche”.

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