Il CERN ha testato con successo le "cavità del granchio" per far ruotare un raggio di protoni, una novità mondiale. Il test si è svolto il 23 maggio utilizzando un raggio dell'acceleratore Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN e ha mostrato che i gruppi di protoni potrebbero essere inclinati utilizzando queste cavità trasversali a radiofrequenza superconduttive. Queste cavità sono un componente chiave dell'High-Luminosità Large Hadron Collider (HL-LHC), il futuro aggiornamento dell'LHC.

L'HL-LHC, che sarà commissionato dopo il 2025, aumenterà la luminosità dell'LHC di un fattore da cinque a dieci. La luminosità è un indicatore cruciale delle prestazioni di un collisore:fornisce il numero di potenziali collisioni per unità di superficie in un determinato periodo di tempo. In altre parole, maggiore è la luminosità, maggiore è il numero di collisioni e più dati gli esperimenti possono raccogliere. Ciò consentirà ai ricercatori di osservare processi rari che si verificano oltre l'attuale livello di sensibilità dell'LHC. I fisici potranno anche eseguire studi precisi sulle nuove particelle osservate all'LHC, come il bosone di Higgs. Le cavità del granchio di nuova concezione svolgeranno un ruolo importante per aumentare la luminosità.

Nell'LHC, i due fasci controrotanti non sono un flusso continuo di particelle ma sono costituiti da "grappoli" di protoni lunghi pochi centimetri, ciascuno contenente miliardi di protoni. Questi grappoli si incontrano con un piccolo angolo in ogni punto di collisione degli esperimenti. Quando installato su ciascun lato degli esperimenti ATLAS e CMS, le cavità del granchio "inclineranno" i gruppi di protoni in ciascun raggio per massimizzare la loro sovrapposizione nel punto di collisione. In questo modo ogni protone del grappolo sarà costretto a passare per tutta la lunghezza del grappolo opposto, aumentando la probabilità di collisioni e quindi più luminosità. Dopo essere stato inclinato, il movimento dei grappoli di protoni sembra essere laterale, proprio come un granchio. Le cavità del granchio erano già state utilizzate nel collisore KEKB in Giappone per elettroni e positroni, ma mai con protoni, che sono più massicci e ad energie significativamente più elevate. "Si prevede che le cavità del granchio aumenteranno la luminosità complessiva dal 15 al 20%, " spiega Rama Calaga, capofila del progetto della cavità del granchio.

I due primi prototipi di cavità del granchio sono stati prodotti al CERN nel 2017 in collaborazione con la Lancaster University e il Science and Technology Facilities Council (STFC) nel Regno Unito, così come l'LHC Accelerator Research Program (USLARP) degli Stati Uniti. Le cavità sono state assemblate in un criostato e testate al CERN. Sono realizzati in materiale superconduttore al niobio di elevata purezza, operando a 2 kelvin (-271°C), al fine di generare una tensione trasversale molto elevata di 3-4 milioni di volt. Le cavità sono state installate nell'acceleratore SPS durante l'ultima sosta tecnica invernale per essere sottoposte a prove di validazione con fasci di protoni.

I primi test al fascio del 23 maggio sono durati più di 5 ore alla temperatura di 4,2 K con un singolo fascio di protoni accelerato a 26 GeV e contenente tra i 20 e gli 80 miliardi di protoni, quasi l'intensità dei grappoli di LHC. Le cavità del granchio sono state alimentate a circa il 10% della loro tensione nominale. Il "granchio" è stato osservato utilizzando un apposito monitor per osservare l'inclinazione lungo la lunghezza del grappolo. "Questi test segnano l'avvio di una struttura unica per testare cavità superconduttrici su un'alta corrente, fascio di protoni ad alta energia, " spiega Lucio Rossi, capofila del progetto HL-LHC. "I risultati sono impressionanti e cruciali per dimostrare la fattibilità dell'utilizzo di tali cavità per aumentare la luminosità nell'LHC".

Nei prossimi mesi, le cavità saranno messe in servizio alla loro tensione nominale di 3,4 milioni di volt e saranno sottoposte a una serie di test per convalidare pienamente il loro funzionamento per l'era HL-LHC. Un totale di 16 di queste cavità saranno installate nell'HL-LHC – otto vicino ad ATLAS e otto vicino a CMS.