È una priorità della strategia europea della fisica delle particelle, e sarà il più grande progetto di fisica dei prossimi 10 anni. È High Luminosity LHC, detto HiLumi LHC, di cui oggi, 15 giugno, al CERN si celebra la posa della prima pietra con l’inizio dei lavori di ingegneria civile. Il progetto HiLumi LHC, progetto nel quale l’Italia è in prima linea con l’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, potenzierà il superacceleratore del CERN in modo da aumentarne la luminosità, uno dei principali indicatori delle performance di un acceleratore di particelle, e cioè il numero di collisioni potenziali per unità di superficie in un dato intervallo di tempo. E anche i grandi rivelatori, collocati lungo l’anello superconduttore di 27 km di LHC nei punti di collisione dei fasci di particelle, dovranno essere potenziati in vista delle nuove prestazioni della macchina. Da oggi, LHC entra, dunque, ufficialmente in una nuova fase, che lo porterà ad aumentare enormemente il suo potenziale di scoperta.
“Una nuova fase di questa spettacolare macchina è iniziata”, commenta Fernando Ferroni, presidente dell’INFN. “Molti più eventi saranno prodotti e questo permetterà di esplorare le proprietà del bosone di Higgs in profondità e scoprire, qualora la natura le abbia previste, nuove particelle”. “Punto di forza di questo progetto sono i magneti basati su una nuova tecnologia superconduttiva che permetterà poi ulteriori passi in avanti e anche nuove applicazioni nel campo della medicina nella risonanza per immagini”, conclude Ferroni.
“Il progetto è una nuova configurazione di LHC, - spiega Lucio Rossi project manager di HiLumi LHC - che dovrebbe essere capace di aumentare di un fattore 5 la luminosità di picco, cioè il numero di eventi prodotti al secondo, e di un fattore 10 la luminosità integrata, cioè la quantità di dati complessiva raccolta dagli esperimenti”. “Per ottenere queste prestazioni, - prosegue Rossi - non è sufficiente migliorare la macchina, 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 a un sostanziale upgrade sia dell’acceleratore sia dei rivelatori”. “Oggi, 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!”, conclude Lucio Rossi.
LHC (Large Hadron Collider) è il più potente acceleratore mai realizzato, ed è entrato in attività nel 2010. Si tratta di un anello sotterraneo lungo 27 km, una sorta di pista magnetica superconduttiva, al cui interno fasci di particelle, protoni o ioni, vengono accelerati quasi alla velocità della luce e fatti scontrare in quattro precisi punti di collisione, dove sono collocati i rivelatori, i giganti ATLAS, CMS, ALICE e LHCb, e i più piccoli Totem e LHCf, che osservano e studiano i prodotti di queste collisioni. Mentre LHC è in grado di produrre fino a 1 miliardo di collisioni protone-protone al secondo, HiLumi LHC aumenterà ulteriormente questo numero, che tecnicamente viene definito luminosità, da 5 a 7 volte. Ciò significa che i fisici con i loro esperimenti saranno in grado di investigare fenomeni rari e raccogliere misure più accurate. Se LHC ha permesso di scoprire il bosone di Higgs nel 2012 e dimostrare così come le particelle elementari acquisiscano la loro massa, ora, il progetto HiLumi LHC contribuirà a chiarire le proprietà del bosone di Higgs in modo più accurato e descrivere così con maggiori dettagli come viene prodotto, decade e interagisce con le altre particelle. Inoltre, saranno messi alla prova scenari oltre al Modello Standard (vale a dire teorie che superano la nostra attuale descrizione della natura, delle particelle e delle forze che ne regolano le interazioni), tra cui, per esempio, la supersimmetria (SUSY), le teorie con extradimensioni, la struttura dei quark e molto altro ancora.
“LHC ha ormai superato le prestazioni di disegno, sfidando gli apparati sperimentali a mettere a punto nuove tattiche e ad anticipare la sfida tecnologica di lavorare ad alta luminosità”, spiega Nadia Pastrone, ricercatrice dell’INFN che lavora in CMS e presidente della Commissione Nazionale per la fisica delle alte energie dell’INFN. “ATLAS e CMS, gli esperimenti che hanno scoperto nel 2012 il bosone di Higgs, hanno cominciato già da tempo a pianificare le nuove strategie per adattare gli apparati sperimentali alle sfide di HiLumi LHC, che richiederà la costruzione di nuovi rivelatori, sempre più integrati con il processo di selezione degli eventi, e una nuova concezione del calcolo che permetta di raggiungere i migliori risultati sperimentali”, conclude Pastrone.
Il progetto HiLumi LHC è frutto di un grande impegno internazionale che coinvolge 29 Istituti di 13 Paesi. È iniziato nel novembre 2011 e due anni dopo è stato incluso tra le principali priorità della strategia europea per la fisica delle particelle. Dopo il successo della fase di “prototipazione”, molti nuovi elementi hardware saranno costruiti e installati nei prossimi anni. Complessivamente, più di 1,2 km della macchina attuale dovranno essere sostituiti con nuovi componenti ad alta tecnologia, come magneti, collimatori e cavità a radiofrequenza.
La tecnica per aumentare il tasso di collisioni è “strizzare” il fascio di particelle nei punti di interazione, in modo che la probabilità di collisione protone-protone aumenti. Per ottenere ciò, HiLumi LHC richiede circa 150 nuovi magneti: in particolare, 24 nuovi quadrupoli focalizzanti superconduttori per focalizzare il fascio e 4 dipoli superconduttori con un campo di oltre 11 tesla (gli attuali dipoli di LHC sono a 8,3 tesla). Il compito di questi dipoli consiste nel piegare il fascio attorno alla traiettoria circolare. Saranno inoltre installate sedici crab cavity, cioè “cavità a granchio”, per massimizzare la sovrapposizione dei pacchetti di protoni nei punti di collisione. La loro funzione è inclinare i pacchetti di protoni in modo che si muovano sul piano trasverso, insomma lateralmente, proprio come un granchio. Un altro componente chiave per aumentare la luminosità generale di LHC è aumentare la disponibilità e l’efficienza della macchina. Per questo, il progetto HiLumi LHC sostituirà alcuni dispositivi in modo che sia più accessibile per la manutenzione.
Si svolgeranno anche importanti lavori di ingegneria civile, principalmente in due località, in Svizzera in corrispondenza dell’esperimento ATLAS e in Francia all’esperimento CMS. Includono la costruzione di nuovi edifici, pozzi, caverne e gallerie sotterranee. Le gallerie e le sale sotterranee ospiteranno nuovi dispositivi criogenici, l’alimentazione e altri impianti elettrici, il raffreddamento e la ventilazione. Durante la durata dei lavori, LHC continuerà a funzionare con periodi di lunghi stop tecnici che consentiranno, oltre alle normali attività di manutenzione, di prepararsi per l’alta luminosità. Dopo il completamento del suo massiccio aggiornamento, LHC dovrebbe produrre dati in modalità ad alta luminosità dal 2026 in poi, spingendo le frontiere della tecnologia dell’acceleratore e dei rivelatori e aprendo anche la strada a futuri acceleratori ad alta energia. [Antonella Varaschin]
LINK UTILI
Intervista video a Lucio Rossi, project manager HiLumi LHC
(in Inglese)
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