L'U.S. Large Hadron Collider Accelerator Upgrade Project è la collaborazione guidata da Fermilab dei laboratori statunitensi che, in collaborazione con il CERN e una dozzina di altri paesi, sta lavorando per aggiornare il Large Hadron Collider. LHC AUP è iniziata poco più di due anni fa e, l'11 febbraio ha ricevuto importanti approvazioni, consentendo al progetto di passare alle fasi successive.

I progetti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sono sottoposti a una serie di revisioni e approvazioni chiave, denominate "Decisioni Critiche" che ogni progetto deve ricevere. All'inizio di questo mese, l'AUP ha ottenuto l'approvazione per entrambe le decisioni critiche 2 e 3b dal DOE. CD-2 approva la linea di base delle prestazioni:l'ambito, costi e tempistiche per l'AUP. Per rimanere in quel programma, CD-3b consente al progetto di ricevere i fondi e l'approvazione necessari per acquistare materiali di base e produrre modelli di progettazione finale di due tecnologie entro la fine del 2019.

L'LHC, un acceleratore di particelle di 17 miglia di circonferenza sul confine franco-svizzero, rompe insieme due fasci opposti di protoni per produrre altre particelle. I ricercatori usano i dati delle particelle per capire come funziona l'universo su scala subatomica.

Nella sua configurazione attuale, in media, un sorprendente miliardo di collisioni si verifica ogni secondo all'LHC. Le nuove tecnologie sviluppate per LHC aumenteranno quel numero di un fattore 10. Questo aumento della luminosità - il numero di interazioni protone-protone al secondo - significa che saranno disponibili molti più dati per gli esperimenti all'LHC. È anche la ragione dietro il nuovo nome del collisore, l'LHC ad alta luminosità.

"La necessità di andare oltre le già ottime prestazioni dell'LHC è alla base del metodo scientifico, " disse Giorgio Apollinari, Scienziato del Fermilab e project manager di HL-LHC AUP. "L'approvazione e il supporto ricevuti per questo contributo degli Stati Uniti all'HL-LHC consentirà ai nostri scienziati di rimanere in prima linea nella ricerca sulla frontiera energetica".

I fisici e gli ingegneri statunitensi hanno aiutato a ricercare e sviluppare due tecnologie per rendere possibile questo aggiornamento. Il primo aggiornamento riguarda i magneti che focalizzano le particelle. I nuovi magneti si basano su conduttori niobio-stagno e possono esercitare una forza maggiore sulle particelle rispetto ai loro predecessori. Aumentando la forza, le particelle in ogni raggio vengono spinte più vicine tra loro, consentendo più interazioni protone-protone nei punti di collisione.

Il secondo aggiornamento è un tipo speciale di cavità dell'acceleratore. Le cavità sono strutture all'interno dei collisori che impartiscono energia al fascio di particelle e lo spingono in avanti. Questa cavità speciale, chiamata cavità del granchio, viene utilizzato per aumentare la sovrapposizione dei due fasci in modo che più protoni abbiano la possibilità di scontrarsi.

"Questa approvazione è un riconoscimento di 15 anni di ricerca e sviluppo iniziati da un programma di ricerca statunitense e completati da questo progetto, " disse Giorgio Ambrosio, Scienziato del Fermilab e manager di HL-LHC AUP per i magneti.

I magneti aiutano le particelle a girare

I magneti superconduttori al niobio-stagno non sono mai stati utilizzati in un acceleratore di particelle ad alta energia come l'LHC. Questi nuovi magneti genereranno un campo magnetico massimo di 12 tesla, circa il 50 percento in più rispetto ai magneti al niobio-titanio attualmente presenti nell'LHC. Per confronto, il campo magnetico di una risonanza magnetica varia da 0,5 a 3 tesla, e il campo magnetico terrestre è solo 50 milionesimi di un tesla.

Ci sono più fasi per creare le bobine di niobio-stagno per i magneti, e ognuno porta le sue sfide.

Ogni magnete avrà quattro serie di bobine, facendone un quadrupolo. Insieme le bobine conducono la corrente elettrica che produce il campo magnetico del magnete. Per rendere niobio-stagno in grado di produrre un forte campo magnetico, le bobine devono essere cotte in forno e trasformate in un superconduttore. La sfida principale con niobio-stagno è che la fase superconduttiva è fragile. Simile agli spaghetti crudi, una piccola pressione può spezzarlo in due se le bobine non sono ben supportate. Perciò, le bobine devono essere maneggiate con delicatezza da questo punto in poi.

L'AUP richiede 84 bobine, fabbricato in 21 magneti. Fermilab produrrà 43 bobine, e il Brookhaven National Laboratory di New York ne produrranno altri 41. Questi verranno poi consegnati al Lawrence Berkeley National Laboratory per essere trasformati in magneti acceleratori. I magneti verranno inviati a Brookhaven per essere testati prima di essere rispediti al Fermilab. Venti magneti di successo verranno inseriti in 10 contenitori, che vengono poi testati dal Fermilab, e infine spedito al CERN.

Con l'approvazione del CD-2/3b, AUP prevede di avere il primo magnete assemblato ad aprile e testato entro luglio. Se tutto va bene, questo magnete sarà idoneo per l'installazione al CERN.

Cavità di granchio per più collisioni

Le cavità accelerano le particelle all'interno di un collisore, spingendoli a energie più elevate. Formano anche le particelle in grappoli:quando i singoli protoni viaggiano attraverso la cavità, ognuno viene accelerato o decelerato a seconda che siano al di sotto o al di sopra di un'energia attesa. Questo processo ordina essenzialmente il raggio in raccolte di protoni, o grappoli di particelle.

HL-LHC dà una svolta alla tipica cavità con le sue cavità di granchio, che prendono il nome da come i grappoli di particelle sembrano muoversi dopo essere passati attraverso la cavità. Quando un grappolo esce dalla cavità, sembra muoversi lateralmente, simile a come cammina un granchio. Questo movimento laterale è in realtà il risultato della cavità del granchio che ruota i grappoli di particelle mentre passano.

Immagina che un pallone da calcio fosse in realtà un mucchio di particelle. Tipicamente, vuoi lanciare un pallone dritto in avanti, con l'estremità appuntita che taglia l'aria. Lo stesso vale per i grappoli di particelle; normalmente passano attraverso un collisore come un pallone da calcio. Ora supponiamo che tu volessi assicurarti che il tuo pallone e un altro pallone si scontrassero a mezz'aria. Piuttosto che lanciarlo dritto, dovresti lanciare il pallone da un lato per massimizzare le dimensioni del bersaglio e quindi la possibilità di collisione.

Certo, girare i grappoli è più difficile che girare un pallone da calcio, come ogni mazzo non è un singolo, oggetto rigido.

Per rendere possibile la rotazione, le cavità del granchio sono posizionate subito prima e dopo i punti di collisione in due dei rivelatori di particelle dell'LHC, chiamato ATLAS e CMS. Un campo elettrico alternato attraversa ciascuna cavità e "inclina" il gruppo di particelle su un lato. Per fare questo, la parte anteriore del gruppo riceve un "calcio" da un lato durante l'ingresso e, prima che parta, la sezione posteriore riceve un "calcio" sul lato opposto. Ora, il mazzo di particelle sembra un pallone da calcio su un lato. Quando i due gruppi si incontrano nel punto di collisione, si sovrappongono meglio, che rende più probabile il verificarsi di una collisione di particelle.

Dopo il punto di collisione, altre cavità di granchio raddrizzano i grappoli rimanenti, in modo che possano viaggiare attraverso il resto dell'LHC senza causare interazioni indesiderate.

Con l'approvazione del CD-2/3b, si possono acquistare tutte le materie prime necessarie per la realizzazione delle cavità. Entro la fine del 2019 sono attesi due prototipi a cavità di granchio. Una volta certificati i prototipi, il progetto cercherà un'ulteriore approvazione per la produzione di tutte le cavità destinate al tunnel LHC.

Dopo ulteriori prove, le cavità verranno inviate per essere "vestite":poste in un recipiente di raffreddamento. Una volta che le cavità vestite superano tutti i criteri di accettazione, Fermilab spedirà tutte e 10 le cavità vestite al CERN.

"È facile dimenticare che questi progressi tecnologici non avvantaggiano solo i programmi di accelerazione, " disse Leonardo Ristori, Ingegnere Fermilab e manager AUP HL-LHC per cavità di granchio. "La tecnologia degli acceleratori esisteva nei primi schermi TV ed è attualmente utilizzata in apparecchiature mediche come la risonanza magnetica. Potremmo non essere in grado di prevedere come appariranno queste tecnologie nella vita di tutti i giorni, ma sappiamo che questo tipo di sforzi si diffonde in tutti i settori".