Quando ti alleni per una maratona, i corridori devono aumentare gradualmente la distanza delle loro corse. Sanno che le loro corse nei primi giorni di allenamento non definiscono di cosa saranno capaci un giorno; stanno costruendo una solida base che li aiuterà a raggiungere il loro pieno potenziale.

I magneti della lunghezza di un'auto che guidano le particelle attorno al Large Hadron Collider subiscono un processo simile. Gli scienziati devono spingerli al limite, di volta in volta, finché non sono in grado di gestire enormi quantità di corrente elettrica.

"Questi magneti sono grandi meraviglie dell'ingegneria, "dice la scienziata Kathleen Amm, direttore della Divisione Magneti presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti a New York. "Ma una cosa che non possiamo fare è metterli dritti nell'acceleratore. Devono essere allenati".

Scienziati, ingegneri e tecnici di Brookhaven stanno ora addestrando i magneti per un compito ancora più difficile:dirigere e focalizzare le particelle in un acceleratore di nuova generazione, l'LHC ad alta luminosità potenziato al CERN. Per fortuna, questi magneti non solo possono resistere all'allenamento, ma anche acquisire la capacità di trasportare ancora più corrente di prima.

Resistere ai fulmini

Utilizzando un nuovo tipo di filo superconduttore a base di niobio-3-stagno, Nb3Sn, i magneti acceleratori HL-LHC saranno in grado di condurre circa il 40% in più di corrente elettrica rispetto alla precedente iterazione dei magneti per LHC. Ognuno porterà circa 16, 500 ampere, circa quanto un piccolo fulmine. Il portatile medio, per riferimento, usa meno di 5 ampere.

I magneti LHC sono realizzati con materiali diversi da quelli utilizzati per realizzare un laptop in un modo importante:sono superconduttori. Ciò significa che possono trasportare una corrente elettrica senza perdere energia. Non producono calore perché hanno una resistenza elettrica nulla.

Ma c'è un problema:sia il vecchio che il nuovo magnete LHC ottengono la proprietà della superconduttività solo se raffreddati a temperature estremamente basse. All'interno dell'LHC, sono mantenuti a 1,9 kelvin (meno 456,25 Fahrenheit), appena sopra lo zero assoluto.

Anche questo non è sempre sufficiente:una piccola imperfezione può far sì che un magnete perda improvvisamente le sue proprietà superconduttive in un processo chiamato spegnimento.

"Un quench significa che una parte del superconduttore diventa normale, "dice lo scienziato Sandor Feher, che supervisiona il test e l'addestramento dei magneti HL-LHC. "La sua temperatura inizia a salire, e questo calore si diffonde ad altre parti del magnete."

Un quench può essere rovinoso. "Quando un superconduttore perde le sue proprietà di superconduttore, si passa dall'avere una resistenza elettrica nulla ad una resistenza elettrica molto alta, "Amm dice. "Nei primi giorni [dello sviluppo dei superconduttori], i magneti si brucerebbero a causa di questa rapida transizione".

Ma questo surriscaldamento non è sempre sinonimo di disastro. Durante l'allenamento con i magneti, i quench controllati inducono utili cambiamenti strutturali a livello microscopico che migliorano le prestazioni di un magnete.

L'anatomia di un magnete

Quando aveva 12 anni, Martel Walls ha vinto un concorso artistico locale con un disegno dettagliato e realistico di un tribunale a Bloomington, Illinois. "Il mio disegno è finito dentro il tribunale, " dice. "Da allora, Sapevo di voler lavorare in un campo che avrebbe sfruttato il mio occhio per i dettagli e la mano ferma".

L'occhio di Walls per le forme complesse alla fine lo ha portato al suo lavoro come tecnico capo responsabile dello sviluppo della bobina magnetica presso il Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, dove i team producono e testano magneti destinati all'HL-LHC.

I magneti che Walls e il suo team stanno assemblando sono costituiti da 450 metri (circa 1480 piedi) di cavo superconduttore Nb3Sn avvolto attorno a due strutture di supporto ad incastro. Le bobine sono lunghe circa 4,5 metri (quasi 15 piedi). Ogni centimetro di cavo viene controllato sia prima che durante il processo di avvolgimento.

Le bobine vengono quindi riscaldate fino a 665 gradi Celsius (1229 gradi Fahrenheit) su un ciclo di calore di 11 giorni; un processo che trasforma il normale cavo niobio-stagno in un superconduttore, ma lo rende anche incredibilmente fragile. "Diventa fragile come spaghetti crudi, " dice i muri.

Maneggiandoli il più delicatamente possibile, i tecnici saldano più componenti sulle bobine prima di immergerli nella resina epossidica. Le bobine finali vengono spedite al Lawrence Berkeley National Laboratory in California, dove più bobine sono montate insieme e poi avvolte in un robusto involucro di acciaio. Vengono quindi spediti a Brookhaven per iniziare il loro regime di addestramento.

Quando il team di test di Brookhaven collega i magneti all'elettricità, le bobine si spingono e si tirano l'una sull'altra con enormi forze dovute agli elevati campi magnetici.

Anche un piccolo movimento dell'ordine di soli 10-20 micron, circa la larghezza di un capello umano, può essere sufficiente per generare un quench.

Regime di allenamento

All'inizio, gli ingegneri si sono resi conto che un magnete ben costruito poteva ricordare questi movimenti microscopici. Quando un componente instabile si sposta in una posizione più comoda, il componente quindi normalmente rimane fermo. Il risultato è un magnete più robusto la prossima volta che si accende.

Durante l'allenamento, scienziati e ingegneri aumentano gradualmente la corrente elettrica che circola nel magnete. Se una qualsiasi parte del magnete si muoverà o rilascerà energia, lo fa in un ambiente di laboratorio controllato piuttosto che in un complesso di acceleratori sotterranei di difficile accesso.

L'addestramento con i magneti a Brookhaven inizia immergendo il magnete in un bagno di elio liquido. Una volta che si è raffreddato, il team di test introduce e aumenta gradualmente la corrente elettrica.

Non appena c'è un quench, l'elettricità viene automaticamente deviata fuori dal magnete. Il bagno di elio liquido evapora, portando con sé il calore dell'estinzione. Dopo ogni spegnimento, l'elio viene raccolto per essere riutilizzato, e il processo ricomincia.

"Il nostro obiettivo è tre quench per magnete al giorno, "Dice Feher. "Iniziamo verso le 5 o le 6 del mattino e lavoriamo a turni fino alle 6 o 7 di sera".

Poco per volta, il team di test di Brookhaven espone il magnete a correnti sempre più elevate.

"Durante la ricerca e lo sviluppo dei magneti, potremmo vedere da 50 a 60 tempra, " dice Amm. "Quando andiamo in produzione, l'obiettivo è vedere un numero minimo di quench, intorno ai 14 o 15, prima di arrivare al livello di campo desiderato".

Una volta completata la formazione, ovvero il magnete può funzionare alla corrente desiderata senza spegnersi:viene rispedito al Fermilab per ulteriori allestimenti e test. I magneti finali verranno quindi spediti al CERN.

Secondo Amm, progettare, costruire e preparare magneti per l'aggiornamento dell'LHC è più che fisica applicata:è una forma di artigianato.

"Ecco dove entra in gioco l'arte insieme alla scienza, " dice. "Puoi fare così tanta scienza e ingegneria, ma alla fine devi costruire e testare molti magneti prima di capire il punto debole."