Una cerimonia tenuta al CERN con la posa della prima pietra ha segnato l’inizio dei lavori per High Luminosity LHC (HiLumi LHC o semplicemente HL-LHC), il progetto di potenziamento di LHC (Large Hadron Collider), il più grande acceleratore di particelle del mondo. Entro il 2026 le prestazioni di LHC saranno notevolmente potenziate permettendo di aumentare il numero di collisioni nei grandi esperimenti per poter indagare ancor più ai limiti dei fenomeni fisici.

LHC ha cominciato la sua attività nel 2010 ma già nel 2011 un gruppo di 29 istituti da 13 nazioni cominciò a sviluppare il progetto HiLumi LHC per renderlo ancora più potente. Il Consiglio del CERN ha approvato il progetto nel giugno 2016 e a quel punto sono stati costruiti i primi prototipi dei nuovi componenti hardware necessari a far funzionare la nuova versione dell’acceleratore di particelle.

Una parte dei componenti attualmente usati nelle attività di LHC e dei vari esperimenti del CERN verranno sostiuiti con altri come magneti, collimatori e cavità a radiofrequenza. I magneti basati su una nuova tecnologia superconduttiva permetteranno nuovi passi avanti e nuove applicazioni che vanno ben oltre le attività di ricerca nel campo della fisica. Ciò perché ci sono progressi negli acceleratori di particelle che vengono applicati anche a campi come la medicina, come ad esempio le apparecchiature per la protonterapia.

Con HiLumi LHC la luminosità di picco, cioè la quantità di eventi al secondo prodotti, dovrebbe essere aumentata di almeno un fattore 5, mentre la luminosità integrata, cioè la quantità totale di dati raccolti dagli esperimenti, dovrebbe essere aumentata di un fattore 10. Per ottenere quei risultati, gli aggiornamenti devono riguardare il grande anello di 27 chilometri di LHC ma anche gli esperimenti. Ci sono quattro punti di collisione dove ci sono i rivelatori per gli esperimenti più grandi, cioè ATLAS, CMS, ALICE e LHCb, e i più piccoli, cioè Totem e LHCf.

I rivelatori sono elementi chiave dell’attività di LHC perché misurano le particelle generate dal miliardo di collisioni protone-protone al secondo di cui è capace quest’acceleratore nella sua versione attuale. In HiLumi LHC ci saranno sedici di quelli che in gergo vengono chiamati crab cavity, letteralmente cavità a granchio, superconduttori che serviranno a massimizzare la sopraposizione di pacchetti di protoni nei punti di collisione. Il nome è dovuto al fatto che essi fanno inclinare i pacchetti di protoni in modo che si muovano lateralmente, come i granchi.

Metà dei crab cavity saranno parte del contributo americano al progetto HiLumi LHC, dato che esso vede anche la collaborazione del Fermilab per conto del Dipartimento dell’Energia degli USA. I magneti superconduttori costituiranno l’altro grande contributo. Si tratta di una collaborazione davvero internazionale che ha visto scienziati, ingegneri e tecnici di tutto il mondo lavorare per anni allo sviluppo del nuovo progetto.

I primi prototipi di crab cavity sono stati testati il 23 maggio 2018 usando un fascio del Super Proton Synchrotron (SPS), il secondo acceleratore per dimensioni del CERN con i suoi 7 chilometri di circonferenza. Il test è durato oltre 5 ore con i due crab cavity raffreddati a una temperatura di 4,2 Kelvin usando un singolo pacchetto contenente tra 20 e 80 miliardi di protoni accelerato a 26 GeV.

Per questi test i crab cavity sono stati alimentati per arrivare solo al 10% del voltaggio normale e i risultati sono stati positivi. Nei prossimi mesi verranno testati a 3,4 milioni di volt per verificare che funzionino nelle condizioni in cui dovranno lavorare quando HiLumi LHC sarà attivato.

Nel corso degli anni di attività di LHC ci sono già stati lunghi periodi di interruzione programmata per permettere la manutenzione delle apparecchiature molto complesse che formano il grande acceleratore e i vari rivelatori. Nei prossimi anni ciò continuerà con la differenza che le pause permetteranno anche di installare i nuovi componenti che alla fine porteranno all’aggiornamento a HiLumi LHC per raggiungere una nuova frontiera della fisica.