Il collisore di adroni del CERN verso una nuova era

Al CERN di Ginevra, un collaboratore controlla un collimatore che restringe il fascio di particelle. © 2018 CERN

Il più grande acceleratore di particelle al mondo, situato presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) a Ginevra, sarà dotato di nuovi componenti più performanti. L'obiettivo è di sviluppare una macchina ancora più potente entro il 2026 per sondare nuovi scenari della fisica.

Il Large Hadron Collider (in italiano “grande collisore di adroni), abbreviato in LHCCollegamento esterno, si snoda lungo un anello di 27 chilometri che si trova a un centinaio di metri di profondità nel sottosuolo sul confine tra Svizzera e Francia. Di recente si sono svolte due cerimonie – nei due rispettivi Stati – per segnare l’inizio ufficiale delle attività di aggiornamento del collisore; update volto a migliorare le prestazioni dell’LHC e dare avvio al progetto di un grande collisore di adroni ad alta luminosità (HL-LHCCollegamento esterno).

Che cos’è l’LHC?

Dal 2010, i fisici fanno scontrare particelle fatte circolare nel tunnel sotterraneo del CERN quasi alla velocità della luce. Con quale obiettivo? Queste collisioni di protoni sono molto utili nell’indagine relativa alla fisica delle particelle, la materia scura, l’antimateria e altri segreti dell’universo.

Ed è stato proprio al CERN che nel 2012 i ricercatori hanno scoperto l’esistenza del bosone di HiggsCollegamento esterno. La cosiddetta particella di Dio è considerata dai fisici la chiave di volta della struttura fondamentale della materia.

Vista aerea dell’LHC sul confine tra la Svizzera e la Francia, con sullo sfondo il lago di Ginevra e le Alpi. © 2008-2018 CERN (License: CC-BY-SA-4.0)

Come funziona l’LHC? 

All’interno dell’anello dell’LHC, due fasci di particelle ad alta energia vengono accelerati e fatti scontrare. I fasci contengono miliardi di protoni e viaggiano a una velocità prossima a quella della luce e sono guidati nel loro percorso da oltre 1600 magneti superconduttori.

Di solito, i fasci sono contenuti in un tubo a vuoto e collidono in quattro punti lungo l’orbita, in corrispondenza ad ampie stazioni sperimentali, conosciute con gli acronimi ALICE, ATLAS, CMS, e LHCb.

I rilevatori all’interno dell’LHC misurano le nuove particelle generate dagli scontri; fino a un miliardo d’impatti al secondo. Analizzando queste collisioni, gli scienziati di mezzo mondo si augurano di scoprire le leggi della natura.

Perché viene aggiornato l’LHC?

Aumentando le prestazioni dell’acceleratore e il numero di collisioni, i fisici si augurano di avere maggiori probabilità di scoprire nuovi rari fenomeni fisici.

L’energia è un parametro importante per gli acceleratori di particelle. Finora è stato possibile fare scontrare gli adroni con un’energia di 13 teraelettronvolt (TeV). Il CERNCollegamento esterno spiega che 1 TeV corrisponde all’energia cinetica di una zanzara in movimento. E allora perché tanto clamore visto che stiamo parlando dell’energia di 13 zanzare in movimento? Il fatto straordinario è che questa energia viene concentrata in uno spazio estremamente piccolo, cioè 1 miliardo di volte più piccolo di una zanzara. A partire dal 2020, gli scienziati sperano di raggiungere i 14 TeV, il limite teorico della macchina.

Ma altrettanto importante è il numero di collisioni delle particelle, misurato in “luminosità”, parametro legato al numero di scontri per unità di tempo e di spazio. L’obiettivo è di aumentare la luminosità dell’LHC di un fattore compreso tra 5 e 7, e di raggiungere un fattore 10 tra il 2026 e il 2036.

“Aumentando la luminosità – e quindi il numero di collisioni – abbiamo maggiori probabilità di vedere ciò che avviene all’interno del tunnel”, spiega Lucio Rossi, direttore del progetto HL-LHC.

I lavori presso l’LHC del CERN sono iniziati nell’aprile 2018. © 2018 CERN

Che cosa si augurano di scoprire i fisici?

Il progetto volto a rendere ancora più potente l’LHC contribuirà a chiarire le proprietà del bosone di Higgs, scoperto nel 2012, ma permetterà anche di misurare con maggiore precisione la produzione, il decadimento e l’interazione con altre particelle. Il CERN indica che l’High Luminosity LHC sarà in grado di produrre 15 milioni di bosoni di Higgs all’anno, invece dei 3 registrati nel 2017.

Il CERN ricorda inoltre che il progetto consentirà di sondare nuovi scenari per il modello standard della fisica delle particelle – in questo momento i fisici teorici vogliono spiegare come funziona l’universo – tra cui la supersimmetria, le extradimensioni e la struttura dei quark.

Come aumenteranno la luminosità gli scienziati?

Per accrescere la luminosità, i ricercatori vogliono “strizzare” i fasci di particelle nei punti di interazione. Per raggiungere questo obiettivo, l’HL-LHC verrà dotato di 130 nuovi magneti, in particolare 24 nuovi quadrupoli focalizzanti superconduttori che permetteranno di raggiungere prestazioni tra il 40 e il 50 per cento maggiori rispetto all’attuale LHC.

Questi magneti saranno costituiti da un composto di superconduttori al niobio-stagno, impiegati per la prima volta nell’acceleratore, grazie a cui – si augurano i ricercatori – sarà possibile generare campi magnetici più potenti rispetto a quelli attuali, costituiti da una lega di niobio-titanio.

Il progetto prevende anche l’installazione di 16 “crab cavities”, ossia cavità a granchio, che consentiranno di modificare la direzione dei fasci di particelle – in analogia con il movimento dei granchi – facendoli girare trasversalmente e aumentando così le probabilità di collisione.

Un collaboratore controlla una “cavità a granchio” nell’agosto 2017. © 2017-2018 CERN

Chi vi partecipa?

Complessivamente più di 1,2 chilometri dell’attuale acceleratore dovranno essere dotati di componenti di ultima generazione. In Svizzera e in Francia, la realizzazione di pozzi, caverne e gallerie sotterranee è iniziata nell’aprile 2018. L’intero progetto di ammodernamento costerà circa 1 miliardo di euro (1,2 miliardi di franchi). In totale, 29 istituti scientifici di 13 Paesi collaborano al progetto.

Le ricerche e l’LHC si fermeranno durante i lavori?

Durante le attività di costruzione, l’LHC continuerà a funzionare con due interruzioni (2019-2020 e 2024-2026) per le installazioni tecniche e le attività di manutenzione.

Quali saranno i vantaggi per la società?

Oltre ad aumentare le probabilità di fare nuove scoperte e a promuovere la formazione e la ricerca, ci si augura che l’HL-LHC favorisca lo sviluppo di nuove tecnologie, specialmente nel settore dell’elettrotecnica, come i superconduttori e le tecnologie del vuoto. I superconduttori sono impiegati in vari ambiti, per esempio nella diagnostica per immagini e nel trattamento del cancro. Le aziende europee stanno valutando la possibilità di utilizzare cavi al diboruro di magnesio, simili a quelli impiegati nell’HL-LHC, per il trasporto di energia “senza perdite” sulle lunghe distanze.

(Traduzione dall’inglese: Luca Beti)