In uno sforzo pluriennale che coinvolge tre laboratori nazionali di tutti gli Stati Uniti, i ricercatori hanno costruito e testato con successo un nuovo potente magnete basato su un materiale superconduttore avanzato. Il dispositivo da otto tonnellate, lungo circa quanto un semirimorchio, ha stabilito un record per la più alta intensità di campo mai registrata per un magnete di focalizzazione dell'acceleratore e alza lo standard per i magneti che operano in collisori di particelle ad alta energia.

Il Fermilab del Dipartimento dell'Energia, Il Brookhaven National Laboratory e il Lawrence Berkeley National Laboratory hanno progettato, costruito e testato il nuovo magnete, uno dei 16 che forniranno il funzionamento nel Large-Luminosity Large Hadron Collider presso il laboratorio del CERN in Europa. I 16 magneti, insieme ad altri otto prodotti dal CERN, servono come "ottica" per le particelle cariche:focalizzeranno fasci di protoni in un minuscolo, punto infinitesimale mentre si avvicinano alla collisione all'interno di due diversi rivelatori di particelle.

L'ingrediente che distingue questi magneti prodotti negli Stati Uniti è niobio-stagno, un materiale superconduttore che produce forti campi magnetici. Questi saranno i primi magneti quadrupoli niobio-stagno mai utilizzati in un acceleratore di particelle.

Come l'attuale Large Hadron Collider, il suo successore ad alta luminosità frantumerà insieme fasci di protoni che percorrono l'anello di 17 miglia a una velocità prossima alla velocità della luce. L'HL-LHC avrà una marcia in più:fornirà 10 volte le collisioni possibili all'attuale LHC. Con più collisioni arrivano più opportunità per scoprire nuova fisica.

E i nuovi magneti di messa a fuoco della macchina la aiuteranno a raggiungere quel salto di luminosità erogata.

"Abbiamo dimostrato che questo primo magnete quadrupolo si comporta con successo e secondo il design, sulla base dello sforzo di sviluppo pluriennale reso possibile dagli investimenti del DOE in questa nuova tecnologia, ", ha affermato lo scienziato del Fermilab Giorgio Apollinari, capo dell'U.S. Accelerator Upgrade Project, che guida il progetto del magnete di messa a fuoco con sede negli Stati Uniti.

"È un magnete molto all'avanguardia, davvero al limite della tecnologia dei magneti, ", ha affermato la scienziata del Brookhaven National Laboratory Kathleen Amm, il rappresentante di Brookhaven per il progetto di aggiornamento dell'acceleratore.

Ciò che lo rende di successo è la sua impressionante capacità di concentrazione.

Messa a fuoco, magneti, messa a fuoco

Nei collisori circolari, due fasci di particelle corrono attorno all'anello in direzioni opposte. Un istante prima che raggiungano il punto di collisione, ogni raggio passa attraverso una serie di magneti che focalizzano i fasci di particelle in un minuscolo, punto infinitesimale, proprio come le lenti focalizzano i raggi luminosi in un punto. Ora imballati con le particelle più fitte che i magneti possono ottenere - distruggi! - i raggi si scontrano.

La fecondità scientifica di quello scontro dipende da quanto è denso il raggio. Più particelle si accalcano nel punto di collisione, maggiore è la possibilità di collisioni di particelle.

Ottieni quei raggi fitti affilando la messa a fuoco del magnete. Un modo per farlo è allargare l'obiettivo. Considera la luce:

"Se provi a focalizzare la luce del sole usando una lente di ingrandimento in un piccolo punto, vuoi avere una lente d'ingrandimento più "potente", "ha detto Ian Pong, Scienziato del Berkeley Lab e uno dei gestori degli account di controllo.

Una lente d'ingrandimento più grande mette a fuoco più raggi del sole di una più piccola. Però, i raggi luminosi al bordo esterno della lente devono essere piegati più nettamente per avvicinarsi allo stesso punto focale.

Oppure considera un gruppo di arcieri che tirano frecce a una mela:più frecce si attaccheranno se gli arcieri tirano dall'alto, sotto e su entrambi i lati della mela che se sono stazionati su un palo, sparare dalla stessa posizione.

L'analogo della dimensione della lente d'ingrandimento e della matrice dell'arciere è l'apertura del magnete, l'apertura del passaggio che il raggio prende mentre scorre attraverso l'interno del magnete. Se si lascia che il raggio di particelle inizi largo prima di essere focalizzato, più particelle arriveranno al punto focale previsto, il centro del rivelatore di particelle.

Il team statunitense ha ampliato l'apertura del magnete di messa a fuoco LHC a 150 millimetri, più del doppio dell'attuale apertura di 70 millimetri.

Ma certo, un'apertura più ampia non è sufficiente. C'è ancora il problema di focalizzare effettivamente il raggio, il che significa forzare un drastico cambiamento nella dimensione del raggio, da largo a stretto, prima che il raggio raggiunga il punto di collisione. E questo richiede un magnete eccezionalmente forte.

"Il magnete deve spremere il raggio più potentemente degli attuali magneti dell'LHC per creare la luminosità necessaria per l'HL-LHC, " disse Apollinare.

Per soddisfare la domanda, scienziati hanno progettato e costruito un magnete di focalizzazione muscolare, calcolando che, all'apertura richiesta, dovrebbe generare un campo superiore a 11,4 tesla. Questo è in aumento rispetto all'attuale campo di 7,5 tesla generato dai magneti a quadrupolo LHC a base di niobio-titanio. (Per gli esperti di acceleratori:l'obiettivo di luminosità integrato HL-LHC è 3, 000 femtobarns inverso.)

A gennaio, il primo magnete di focalizzazione HL-LHC del team di tre laboratori consegnato al di sopra dell'obiettivo di prestazioni, raggiungendo un campo di 11,5 tesla e correndo continuamente a questa forza per cinque ore consecutive, proprio come funzionerebbe quando l'LHC ad alta luminosità verrà avviato nel 2027.

"Questi magneti sono attualmente i magneti di focalizzazione del campo più alto negli acceleratori così come esistono oggi, " Amm ha detto. "Stiamo davvero spingendo verso campi più alti, che ci permette di arrivare a luminosità più elevate."

Il nuovo magnete di messa a fuoco è stato un trionfo, grazie al niobio-stagno.

Stagno al niobio per la vittoria

I magneti di focalizzazione nell'attuale LHC sono realizzati con niobio-titanio, il cui limite di prestazioni intrinseche è generalmente riconosciuto essere stato raggiunto da 8 a 9 tesla nelle applicazioni di accelerazione.

L'HL-LHC avrà bisogno di magneti con circa 12 tesla, circa 250, 000 volte più forte del campo magnetico terrestre sulla sua superficie.

"Allora cosa fai? Devi andare da un altro conduttore, " disse Apollinare.

Gli esperti di magneti acceleratori sperimentano da decenni il niobio-stagno. La corrente elettrica che scorre attraverso un superconduttore niobio-stagno può generare campi magnetici di 12 tesla e oltre, ma solo se il niobio e lo stagno, una volta miscelato e trattato termicamente per diventare superconduttivo, può rimanere intatto.

"Una volta che hanno reagito, diventa un bellissimo superconduttore che può trasportare molta corrente, ma poi diventa anche fragile, " disse Apollinare.

Notoriamente fragile

"Se lo pieghi troppo, anche un po', una volta che è un materiale reagito, suona come fiocchi di mais, " Amm ha detto. "In realtà lo senti rompersi".

Negli anni, scienziati e ingegneri hanno scoperto come produrre un superconduttore niobio-stagno in una forma utile. Garantire che avrebbe resistito come la stella di un magnete di messa a fuoco HL-LHC è stata un'altra sfida.

Berkeley, Gli esperti di Brookhaven e del Fermilab lo hanno realizzato. Il loro processo di assemblaggio è un delicato, implicava un'operazione di bilanciamento della fragilità del niobio-stagno contro i massicci cambiamenti di temperatura e pressione che subisce quando diventa l'attore principale in un futuro magnete di collisione.

Il processo inizia con fili contenenti filamenti di niobio che circondano un nucleo di stagno, fornito da un produttore esterno. I fili vengono quindi fabbricati in cavi a Berkeley nel modo giusto. Le squadre di Brookhaven e Fermilab poi avvolgono questi cavi in ​​bobine, attenzione a non deformarli eccessivamente. Riscaldano le bobine in un forno in tre stadi di temperatura, un trattamento che richiede più di una settimana. Durante il trattamento termico lo stagno reagisce con i filamenti per formare il fragile stagno-niobio.

Essendo stato reagito nella fornace, il niobio-stagno è ora al suo più fragile, quindi viene maneggiato con cura mentre il team lo cura, incorporandolo in una resina per diventare un solido, bobina forte.

Quella bobina è ora pronta per fungere da uno dei quattro poli del magnete di focalizzazione. Il processo richiede diversi mesi per ogni polo prima che il magnete completo possa essere assemblato.

"Poiché queste bobine sono molto potenti quando sono energizzate, c'è molta forza nel tentativo di allontanare il magnete, " Disse Pong. "Anche se il magnete non si deforma, a livello del conduttore ci sarà una tensione, a cui le prestazioni del niobio-stagno sono molto sensibili. La gestione dello stress è molto, molto importante per questi magneti ad alto campo."

Anche il trattamento termico delle bobine magnetiche, uno dei passaggi intermedi nell'assemblaggio del magnete, è una scienza sottile. Ognuna delle quattro bobine di un magnete di focalizzazione HL-LHC pesa circa una tonnellata e deve essere trattata termicamente in modo uniforme, dentro e fuori.

"Bisogna controllare bene la temperatura. Altrimenti la reazione non ci darà le migliori prestazioni, " Ha detto Pong. "È un po' come cucinare. Non si tratta solo di raggiungere la temperatura in una parte della bobina ma nell'intera bobina, da un capo all'altro, dall'alto al basso, l'intera cosa."

E le quattro bobine devono essere allineate con precisione l'una con l'altra.

"Serve una precisione di campo molto elevata, quindi dobbiamo avere una precisione molto elevata nel modo in cui li allineano per ottenere una buona uniformità del campo magnetico, un buon campo di quadrupolo, " ha detto Amm.

La raffinata ingegneria che va nei magneti HL-LHC degli Stati Uniti si è affinata nel corso di decenni, con un profitto che sta energizzando la comunità degli acceleratori di particelle.

"Questo sarà il primo utilizzo di niobio-stagno nei magneti di focalizzazione dell'acceleratore, quindi sarà piuttosto eccitante vedere una tecnologia così complessa e sofisticata essere implementata in una macchina reale, " ha detto Amm.

"Abbiamo sempre portato il peso della responsabilità, la speranza negli ultimi 10, 20 anni e se vuoi andare oltre, 30, 40 anni—concentrandosi su questi magneti, sullo sviluppo del conduttore, tutto il lavoro, "Pong ha detto. "Finalmente, ci stiamo arrivando, e vogliamo davvero assicurarci che sia un successo duraturo".

Le molte parti in movimento di una collaborazione accelerata

Garantire un successo duraturo ha tanto a che fare con la coreografia operativa quanto con la squisita ingegneria. La conduzione di una logistica che abbraccia anni e un continente richiede un accurato coordinamento.

"La pianificazione e la programmazione sono molto importanti, e sono piuttosto impegnativi, "Pong ha detto. "Per esempio, comunicazione di trasporto:dobbiamo assicurarci che le cose siano ben protette. Altrimenti questi articoli costosi possono essere danneggiati, quindi dobbiamo prevedere i problemi e prevenirli. I ritardi hanno anche un impatto sull'intero progetto, quindi dobbiamo assicurarci che i componenti vengano spediti a destinazione in un programma tempestivo."

amm, Apollinari e Pong riconoscono che il team di tre laboratori ha affrontato le sfide con abilità, operando come una macchina ben oliata.

"Le tecnologie sviluppate al Fermilab, Brookhaven e Berkeley hanno contribuito al successo dell'LHC originale. E ora di nuovo, queste tecnologie fuori dagli Stati Uniti stanno davvero aiutando il CERN ad avere successo, " Amm ha detto. "È una squadra da sogno, ed è un onore farne parte".

Il progetto di aggiornamento dell'acceleratore con sede negli Stati Uniti per HL-LHC, di cui il progetto del magnete di focalizzazione è un pezzo, iniziata nel 2016, derivante da un precedente programma di ricerca e sviluppo del 2003 che si concentrava su progetti di tecnologia di accelerazione simili.

Da oggi fino al 2025 circa, i laboratori statunitensi continueranno a costruire il grande, tubi massicci, iniziando con sottili fili di niobio e stagno. Hanno in programma di iniziare a consegnare nel 2022 il primo di 16 magneti, più quattro pezzi di ricambio, al CERN. L'installazione avverrà nei tre anni successivi.

"La gente dice che 'touchdown' è una parola molto bella per descrivere l'atterraggio di un aereo, perché hai un enorme oggetto di metallo che pesa centinaia di tonnellate, scendendo dal cielo, toccando molto delicatamente una pista di cemento, " Disse Pong. "Questi magneti non sono troppo diversi da quelli. I nostri magneti sono enormi dispositivi superconduttori, focalizzando minuscoli fasci di particelle invisibili che volano vicino alla velocità della luce attraverso il foro. È piuttosto magico."

La magia inizia nel 2027, quando l'LHC ad alta luminosità è online.

"Stiamo facendo oggi il lavoro che i futuri giovani ricercatori utilizzeranno tra 10 o 20 anni per spingere la frontiera della conoscenza umana, proprio come accadeva quando ero un giovane ricercatore qui al Fermilab, usando il Tevatron, Ha detto Apollinari. “E' un passaggio generazionale del testimone. Dobbiamo realizzare le macchine per le generazioni future, e con questa tecnologia, ovviamente quello che possiamo abilitare per la generazione futura è molto".