Il CERN ha acceso i magneti del futuro: ecco cosa cambierà per il più grande acceleratore del mondo

Il CERN ha raggiunto un nuovo traguardo nello sviluppo di High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), il programma di aggiornamento del più grande acceleratore di particelle del mondo che entrerà in funzione nel 2030. Presso l'impianto di prova IT String (Inner Triplet String), la nuova generazione di magneti quadrupolari superconduttori ha raggiunto con successo la corrente nominale di esercizio pari a 16.230 ampere, completando una fase fondamentale del processo di validazione dell'infrastruttura.

Il risultato rappresenta un passaggio chiave verso la futura configurazione dell'acceleratore, progettata per aumentare sensibilmente la luminosità del Large Hadron Collider – attualmente spento proprio per prepararsi all'aggiornamento. Un numero maggiore di collisioni tra protoni consentirà infatti di raccogliere dataset più estesi, migliorando la precisione delle misure sperimentali e aumentando le possibilità di osservare fenomeni estremamente rari, compresi eventuali effetti che vadano oltre il Modello Standard della fisica delle particelle.

I nuovi magneti costituiscono un'evoluzione significativa rispetto agli attuali magneti dell'Inner Triplet realizzati in niobio-titanio. Le nuove bobine superconduttrici impiegano infatti niobio-stagno (Nb3Sn), materiale che permette di raggiungere campi magnetici di 11,3 tesla, circa il 35% superiori rispetto alla generazione oggi installata nel LHC. Parallelamente è stato aumentato anche il diametro utile interno dei magneti, passato da 70 a 150 millimetri, caratteristica che consente di focalizzare con maggiore precisione i fasci di protoni prima della collisione e incrementare così il numero di interazioni prodotte.

Uno degli aspetti più rilevanti dei test riguarda il fatto che i magneti abbiano raggiunto la corrente nominale senza manifestare alcun quench, ovvero la transizione dalla condizione di superconduttività allo stato conduttivo normale. Normalmente i magneti superconduttori richiedono un periodo di training, durante il quale vengono sottoposti a ripetuti cicli di alimentazione con correnti progressivamente crescenti. Nelle prime fasi sono frequenti i quench, generalmente provocati da piccole instabilità meccaniche interne che vengono eliminate gradualmente con il susseguirsi delle prove.

Il comportamento osservato dimostra inoltre un'elevata capacità dei magneti di conservare il risultato del training, una proprietà definita come "memory". Come ha spiegato Susana Izquierdo Bermudez, responsabile della Large Magnet Facility del CERN, una buona memoria dei magneti rappresenta un requisito fondamentale perché riduce i tempi di messa in servizio, limita i consumi dell'impianto criogenico e contribuisce a contenere eventuali ritardi operativi.

La campagna di collaudo ha interessato l'intera infrastruttura IT String. Tutti i 17 circuiti elettrici sono stati portati con successo alle rispettive correnti operative. Anche il dipolo di separazione, che nel futuro HL-LHC avrà il compito di allontanare i due fasci di particelle dopo la collisione, ha raggiunto la corrente prevista dopo un numero limitato di quench durante il training, mentre i circuiti dei magneti correttori hanno soddisfatto gli obiettivi sia durante il funzionamento individuale sia in quello combinato.

Le prove hanno inoltre verificato il corretto funzionamento del sistema di protezione dei magneti, progettato per dissipare in sicurezza l'energia immagazzinata qualora si verifichi un'anomalia. Durante i test il sistema ha gestito fino a 38 megajoule di energia magnetica, trasferendola nel bagno di elio liquido che mantiene i magneti alla temperatura operativa di 1,9 kelvin, pari a circa -271 °C.

I dati raccolti saranno ora analizzati per approfondire l'interazione tra tutti i sottosistemi coinvolti, inclusi alimentazione criogenica, convertitori di potenza, sistemi di rilevamento e protezione dai quench, vuoto, controlli e allineamento.

Le attività non sono concluse. Nei prossimi mesi verranno effettuate ulteriori prove dedicate allo studio dei circuiti superconduttori, dei cicli operativi dell'acceleratore, degli accoppiamenti elettromagnetici e delle procedure di allineamento. Dopo un ritorno temporaneo alla temperatura ambiente e un nuovo raffreddamento dell'impianto, a settembre prenderà il via una seconda campagna di test che, come spiegato dalla responsabile dell'IT String Marta Bajko, avrà l'obiettivo di validare le procedure di commissioning, verificare gli strumenti di analisi e dimostrare la riproducibilità delle prestazioni del sistema integrato in condizioni sempre più vicine a quelle del futuro High-Luminosity LHC.