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Amici di BoincItaly, ho tradotto, "semplificato" (in certe parti) e ampliato (in altre) un articolo sulla situazione del futuro HL-LHC.

Spero che la cosa non vi dispiaccia...

Con meno di due anni di attività dell'LHC prima dell'inizio della fase del terzo arresto prolungato della durata di 3 anni (LS3 – Gennaio 2026/Dicembre 2028), quando inizierà la fase di installazione principale dell'LHC ad alta luminosità, Oliver Brüning e Markus Zerlauth descrivono gli ultimi progressi e i prossimi passi per la validazione di tecnologie chiave, test di prototipi e produzione in serie di apparecchiature.

 (Alimentazione superconduttiva. Un criostato di test contenente l’RCBO, il conduttore elettrico "superconduttivo ad alta temperatura" che alimenta la tripletta del quadrupolo dell’HL-LHC attraverso cavi MgB2 collocati in un criostato flessibile, in attesa di essere inserito nella stringa IT per i test)

Questo programma scientifico unico – che ha visto la scoperta del bosone di Higgs, innumerevoli misurazioni di fenomeni ad alta energia e ricerche esaustive di nuove particelle – ha già trasformato il campo di ricerca. Per aumentarne ulteriormente il potenziale di scoperta, ad esempio consentendo una maggiore precisione e l'osservazione di processi rari, l'aggiornamento dell'LHC ad alta luminosità (HL-LHC) mira ad aumentare la quantità di dati raccolti dagli esperimenti ATLAS e CMS di un fattore pari a 10 e consentirà al “collisore di punta” del CERN di funzionare fino all'inizio degli anni '40.

Dopo il completamento del secondo arresto prolungato (LS2) nel 2022, durante il quale il progetto di aggiornamento degli iniettori LHC è stato implementato con successo, la Run 3 è iniziata con un'energia record del centro di massa di 13,6 TeV. Rimangono solo due anni di attività prima dell'avvio dell’LS3 nel 2026. Questo è il momento in cui inizierà la fase di installazione principale di HL-LHC, a partire dallo scavo dei nuclei verticali che collegheranno il tunnel di LHC alle nuove gallerie HL-LHC e seguito dall'installazione di nuovi componenti dell'acceleratore.

Approvato nel 2016, il progetto HL-LHC sta implementando diverse tecnologie innovative, tra cui: magneti acceleratori al Niobio-Stagno (Nb3Sn), un sistema di alimentazione costituito da cavi superconduttori “a caldo” MgB2 (Diboruro di magnesio) e un criostato flessibile, l'integrazione di cavità crab ("a granchio") al Niobio compatte (per compensare il maggiore angolo di incrocio del raggio) e una nuova tecnologia per la collimazione del raggio e la protezione della macchina.

Gli sforzi al CERN, e di tutta la collaborazione HL-LHC, si stanno ora concentrando sulla produzione in serie di tutti i risultati finali del progetto, in vista della loro installazione e validazione nel tunnel dell'LHC. Il fulcro di questo sforzo, che coinvolge istituti di tutto il mondo e una forte collaborazione con l’industria, è l’assemblaggio e la messa in servizio dei nuovi magneti che saranno installati su entrambi i lati di ATLAS e CMS per consentire operazioni ad alta luminosità a partire dal 2029. In parallelo continua il lavoro intenso sui corrispondenti aggiornamenti dei rivelatori di LHC: ATLAS e CMS installeranno tracciatori interni completamente nuovi durante LS3, mentre LHCb ed Alice stanno lavorando su delle proposte per dei rilevatori completamente nuovi per una eventuale installazione nel 2030.

Infrastrutture civili completate

Le prestazioni più elevate a cui si punta nei punti di interazione ATLAS e CMS richiedono una maggiore capacità di raffreddamento per i magneti quadrupolari di focalizzazione finale, a sinistra e a destra degli esperimenti, per poter gestire il flusso più ampio di detriti di collisione. È inoltre necessario spazio aggiuntivo per ospitare nuove apparecchiature: convertitori di potenza e dispositivi di protezione delle macchine, nonché schermature per ridurre la loro esposizione alle radiazioni e per consentire un facile accesso per interventi più rapidi e quindi una migliore disponibilità delle macchine.

Tutti questi requisiti sono stati affrontati con la costruzione di nuove strutture sotterranee presso gli esperimenti ATLAS e CMS. Entrambi i siti sono caratterizzati da un nuovo pozzo di accesso e da una caverna che ospiterà una nuova cella frigorifera, una galleria lunga circa 400 m per i nuovi convertitori di potenza e le apparecchiature di protezione, quattro tunnel di servizio e 12 nuclei verticali che collegano la galleria al tunnel LHC esistente. Una nuova scala su ciascun lato dell'esperimento collega inoltre le nuove strutture sotterranee al tunnel esistente per il personale dell'LHC.

Costruzioni ed infrastrutture. La nuova galleria al Punto1 (Atlas) per i convertitori di energia ed altre strumentazioni (prima foto). Foto al centro: il punto in superficie per il raffreddamento e la ventilazione al Punto5 (CMS). Caverna di servizio sotterranea, foto a destra.

I lavori di ingegneria civile sono iniziati alla fine del 2018, per consentire l'esecuzione, durante LS2, della maggior parte degli interventi che richiedevano macchinari pesanti, dal momento che si stimava che le vibrazioni avrebbero altrimenti avuto un impatto negativo sulle prestazioni di LHC. Tutte le opere di ingegneria civile sotterranee sono state completate nel 2022 e la costruzione dei nuovi edifici di superficie, cinque per ogni IP, nella primavera del 2023. I nuovi ascensori di accesso hanno subito un ritardo di circa sei mesi a causa di alcune scheggiature del calcestruzzo localizzate all'interno dei vani, ma l’installazione in entrambi i siti è stata completata nell’autunno 2023.

La realizzazione delle infrastrutture tecniche procede ormai a pieno ritmo sia in ambito sotterraneo che in superficie. Occorre sottolineare che, anche se i lavori di ingegneria civile si sono estesi per tutto il periodo di chiusura per il COVID-19 e sono stati esposti alla volatilità del mercato a seguito dell’invasione russa dell’Ucraina, siano stati sostanzialmente completati nei tempi previsti e nel rispetto del budget. Ciò rappresenta un'enorme risultato per il progetto HL-LHC e per il CERN.

Una delle pietre miliari dell'aggiornamento HL-LHC sono i nuovi magneti a triplo quadrupolo con maggiore tolleranza alle radiazioni. Un totale di 24 magneti quadrupolari Nb3Sn di grande apertura saranno installati attorno ad ATLAS e CMS per focalizzare i raggi più strettamente, rappresentando il primo utilizzo della tecnologia dei magneti Nb3Sn in un acceleratore per la fisica delle particelle.

A causa dei tassi di collisione più elevati negli esperimenti, i livelli e la quantità integrata di radiazioni emesse aumenteranno di conseguenza, richiedendo particolare attenzione nella scelta dei materiali utilizzati per costruire le bobine magnetiche (nonché l'integrazione di ulteriori schermature di tungsteno negli schermi del fascio). Per avere spazio sufficiente per la schermatura, le aperture della bobina devono essere all'incirca raddoppiate rispetto alle triplette Nb-Ti esistenti, riducendo così il parametro β* (che si riferisce alla dimensione del fascio nei punti di collisione) di un fattore di quattro rispetto al progetto nominale dell'LHC, sfruttando appieno le migliorate emittanze del fascio in seguito all'aggiornamento della catena degli iniettori dell'LHC.

Magneti quadrupoli. Il primo gruppo crio-magnete a tripletta interna prodotto dal CERN (Q2b), comprendente un prototipo di magnete MQXFB e un magnete correttore MCBXF, pronto per alimentare i test sul banco di prova SM18 (a sinistra) e (a destra) il magnete MQXFB03 nello SMI2.

Per l’HL-LHC raggiungere il gradiente magnetico integrato richiesto, con l’attuale tecnologia Nb-Ti, richiederebbe una tripletta molto più lunga. La scelta del Nb3Sn consente di raggiungere campi di 12 Tesla (e quindi di raddoppiare l'apertura di tripletta) pur mantenendo il magnete relativamente compatto (la lunghezza totale passa da 23 m a 32 m). L’intensa attività di ricerca e sviluppo e la prototipazione di magneti Nb3Sn sono iniziate oltre 20 anni fa nell’ambito del programma di ricerca sull’acceleratore LHC (LARP) con sede negli Stati Uniti, che ha unito LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory), SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), Fermilab e BNL (Brookhaven National Laboratory). Lanciato ufficialmente come studio di progettazione nel 2011, è stato poi convertito nell'Accelerator Upgrade Program (AUP) nella fase di industrializzazione e produzione in serie di tutti i componenti principali.

I magneti della tripletta interna dell’HL-LHC sono stati progettati e costruiti in una collaborazione tra AUP e CERN. I 10 crio-assemblaggi Q1 e Q3 (otto per l'installazione e due di riserva), che contengono due magneti quadrupoli individuali di 4,2 m di lunghezza (MQXFA), saranno forniti da AUP (con conferimento in natura), mentre le 10 versioni più lunghe per Q2 (contenenti un singolo magnete quadrupolare lungo 7,2 m, MQXFB, e un gruppo correttore di orbita dipolo) saranno prodotte al CERN. Il primo di questi magneti è stato testato e completamente convalidato negli Stati Uniti nel 2019 e il primo crio-assemblaggio costituito da due singoli magneti è stato assemblato, testato e convalidato al Fermilab ad inizio 2023. Questo crio-assemblaggio è arrivato al CERN nel novembre 2023 ed è ora in fase di preparazione per la convalida e il test. La produzione statunitense di cavi e bobine è stata completata nel 2023 e la produzione di magneti e crio-assemblaggi sta accelerando per la produzione in serie.

I primi tre magneti prototipo Q2 hanno mostrato, inizialmente, alcune limitazioni. Ciò ha richiesto, dopo il test del secondo prototipo, un ampio piano di miglioramento in tre step per affrontare le diverse fasi della produzione della bobina, la procedura di assemblaggio della stessa, del guscio in acciaio inossidabile e la saldatura finale per la massa fredda. Tutte e tre gli step di miglioramento sono stati implementati nel terzo prototipo (MQXFBP3), che è il primo magnete che non presenta più alcuna limitazione, né alle temperature di esercizio di 1,9 K né a 4,5 K, e quindi il primo della produzione destinato all'installazione nel tunnel (vedi immagine “Magneti quadripoli” qui sopra).

Dipoli magnetici. Prototipo di un dipolo a singola apertura (D1) a destra e un dipolo a doppia apertura (D2) a sinistra, entrambi in prova all’ SM18.

Oltre alle triplette (di quadrupoli), le regioni di inserzione HL-LHC richiedono diversi altri nuovi magneti per manipolare i fasci. Per alcuni tipi di magneti, come i magneti correttori-non-lineari (prodotti dalla LASA di Milano come conferimento in natura dell'INFN), l'intera produzione è stata completata e tutti i magneti sono stati consegnati al CERN. I nuovi dipoli magnetici di separazione e ricombinazione – che si trovano sul lato opposto delle regioni di inserimento, per guidare i due fasci controrotanti su una traiettoria comune che consente collisioni negli IP – sono prodotti come conferimento in natura dal Giappone e dall'Italia.

I dipoli magnetici a singola apertura D1 sono prodotti da KEK con Hitachi come partner industriale, mentre i dipoli magnetici D2 (a doppia apertura) sono prodotti nell'industria da ASG di Genova, sempre come conferimento in natura da parte dell'INFN. Anche se entrambi i tipi di dipolo si basano sulla “vecchia” ma consolidata tecnologia dei superconduttori Nb-Ti (il cavallo di battaglia dell'LHC), spingono il conduttore in un territorio inesplorato. Ad esempio, il dipolo D1 presenta un'ampia apertura di 150 mm e un picco di dipolo di 5,6 T, che si traducono in forze molto grandi nelle bobine durante il funzionamento. Hitachi ha già prodotto tre delle sei serie di magneti. Il prototipo del magnete dipolo D1 è stato consegnato al CERN nel 2023 e raffreddato nella sua configurazione finale; il prototipo del magnete D2 è stato testato e completamente convalidato al CERN nella sua configurazione finale del criostato e il primo magnete della serie D2 è stato consegnato dall'ASG al CERN.

Anche la produzione dei rimanenti nuovi magneti HL-LHC è in pieno svolgimento: i magneti coseno-teta annidati – un nuovo design di magneti comprendente due solenoidi con strati di bobina inclinati,

necessari per correggere l’orbita accanto al dipolo D2, stanno procedendo bene in Cina (come contributo in natura da parte dell’IHEP) con Bama come produttore industriale. I magneti correttori di orbita a dipolo annidato, necessari per la correzione dell'orbita all'interno dell'area del tripletto, si basano sulla tecnologia Nb-Ti (un conferimento in natura del CIEMAT in Spagna) e stanno anch'essi facendo buoni progressi, con la convalida finale dimostrata nel 2023.

Con i nuovi convertitori di potenza nelle gallerie sotterranee HL-LHC posizionati a circa 100 m di distanza e 8 m sopra i magneti nel tunnel, era necessario trovare un modo efficiente (in termini di costi ed energia) per trasportare correnti fino a 18 kA tra di loro. Era stato valutato che i “semplici” cavi e le sbarre in rame raffreddati ad acqua avrebbero portato ad un’indesiderata inefficienza nel raffreddamento delle perdite ohmiche, e che i collegamenti Nb-Ti (che richiedono il raffreddamento con elio liquido) sarebbero stati troppo impegnativi a livello tecnico e molto costosi, data la differenza di altezza tra le nuove gallerie e il tunnel. Si è così deciso di sviluppare un nuovo sistema di alimentazione “a freddo” dotato di un criostato flessibile e cavi di diboruro di magnesio (MgB2) in grado di trasportare le correnti richieste a temperature fino a 50 gradi K (-223 gradi centigradi). (Attualmente occorrono cablaggi che lavorano intorno ai 3K /-269 gradi centigradi e si eviterebbe, in questa maniera, il fondamentale passaggio dai 4,5 ai 3 K, passaggio che comporta molte difficoltà e costi elevati. NdT).

Correttori magnetici. Un correttore all’interno del suo criostato (a sinistra) e la costruzione di un correttore a massa fredda (a destra)

Con questo sistema senza precedenti, l'elio evapora dai criostati magnetici nel tunnel e si propaga attraverso il criostato flessibile fino alle nuove gallerie sotterranee. Questo processo raffredda sia il cavo MgB2 che i conduttori di corrente “superconduttori ad alta temperatura” (che collegano i convertitori di potenza a conduzione normale ai magneti superconduttori) a temperature nominali comprese tra 15 K e 35 K. L'elio gassoso viene quindi raccolto nelle nuove gallerie, compresso, liquefatto e reimmesso nel sistema criogenico. I nuovi cavi e criostati sono stati sviluppati con aziende in Italia (ASG e Tratos) e nei Paesi Bassi (Cryoworld) e sono ora disponibili come materiali commerciali per altri progetti.

Tre test dimostrativi condotti presso la struttura SM18 del CERN hanno già convalidato completamente il cavo MgB2 e il concetto di criostato flessibile. Le scatole di alimentazione che collegano il cavo MgB2 ai convertitori di potenza nelle gallerie e ai magneti nel tunnel sono state sviluppate e prodotte come contributi in natura con l'Università di Southampton (e Puma come partner industriale nel Regno Unito) e l'Università di Uppsala (e RFR come partner industriale in Svezia). Un assemblaggio completo del collegamento superconduttore con le due scatole di alimentazione è stato assemblato ed è in fase di test alla sezione SM18 del CERN, in preparazione per la sua installazione nella stringa tripletta interna nel 2024 (vedere la prima immagine “Alimentazione superconduttiva”).

La stringa di test IT

La stringa "inner-triplet" (IT) – che replica l’intero magnete, l’alimentazione e la protezione a sinistra del CMS dai magneti tripletti fino al magnete dipolo di separazione D1 – è la prossima pietra miliare del progetto HL-LHC.

Schema logico della stringa IT di test completa. Gli elementi chiave che costituiscono le nuove regioni di inserimento per l'esperimento LHC ad alta luminosità, che mostrano i gruppi di quadrupolo (Q) e dipolo (D), il feedbox dei collegamenti superconduttori (DFHX e DFH), la linea di distribuzione criogenica (SQXL) e apparecchiature ausiliarie.

L'obiettivo della stringa IT è convalidare le procedure e gli strumenti di assemblaggio e connessione necessari per la messa in opera della struttura nell'HL-LHC. Serve anche a valutare il comportamento collettivo della catena magnetica superconduttiva in condizioni il più vicino possibile a quelle del loro successivo funzionamento nell'HL-LHC, e come opportunità di formazione per i teams delle apparecchiature per il loro successivo lavoro nel tunnel dell'LHC. Come detto, la stringa IT comprende tutti i sistemi necessari per il funzionamento alle condizioni nominali, come il vuoto (seppur senza schermi a fascio magnetico), la criogenia, i sistemi di alimentazione e protezione. L'intera catena IT – lunga circa 90 m – trova posto sul retro della sala test SM18, dove è disponibile la necessaria infrastruttura per l'elio liquido.

Le nuove gallerie sotterranee sono “imitate” da una struttura metallica situata sopra i magneti. La struttura ospita i convertitori di potenza e il sistema di protezione dal quench (fascio che viene perso), il quadro di sezionamento elettrico e la scatola di alimentazione che unisce il collegamento superconduttore ai sistemi di alimentazione a conduzione normale. Il collegamento superconduttore si estende dalla struttura metallica sopra il gruppo magnete all'estremità D1 della stringa IT dove (dopo una discesa verticale che imita il passaggio attraverso i nuclei verticali sotterranei) è connesso a un prototipo della scatola di alimentazione dei magneti.

È in fase di completamento l'installazione dei sistemi di alimentazione normale e di protezione delle macchine della stringa IT (vedi immagine sotto). Insieme alle infrastrutture già completate dell'impianto, l'intero sistema di alimentazione a conduzione normale della stringa è entrato nella sua prima fase di messa in servizio nel Dicembre 2023, con l'esecuzione delle prove di cortocircuito. La linea di distribuzione criogenica per la stringa IT è stata testata con successo a basse temperature e sarà presto sottoposta a un secondo raffreddamento alla temperatura nominale, prima dell'installazione dei magneti e del sistema di alimentazione a freddo. Si prevede che l'installazione di test sarà completata nel corso del 2024 e il periodo operativo principale avrà luogo nel 2025.

Collimatori

Il controllo delle perdite del fascio causate da particelle ad alta energia che deviano dalla loro traiettoria ideale è essenziale per garantire la protezione e il funzionamento efficiente dei componenti dell'acceleratore, e in particolare degli elementi superconduttori come i magneti e le cavità. L’attuale sistema di collimazione LHC, che comprende già più di 100 collimatori individuali installati attorno all’anello, deve essere aggiornato per affrontare le sfide senza precedenti poste dai fasci più luminosi dell’HL-LHC. Dopo un primo aggiornamento dei sistemi di collimazione e schermatura dell'LHC implementati durante LS2, la sfida della produzione di nuovi collimatori per la regione di inserimento e del secondo lotto di collimatori a bassa impedenza viene ora lanciata all'industria.

La stringa IT in assemblaggio all’SM18 (a sinistra) e l’installazione dell’infrastruttura elettrica e di segnale (a destra)

L’ LS2, e il successivo stop tecnico di fine anno, hanno visto anche il completamento del nuovo schema di collimazione dei cristalli. Situato nell’ “IR7” (tra CMS e LHCb), questo schema comprende quattro goniometri con cristalli piegati – uno per fascio e piano – per incanalare le particelle alone su un assorbitore a valle (immagine qui sotto).

Dopo studi approfonditi con i fasci negli ultimi anni, la collimazione dei cristalli è stata utilizzata operativamente in un test fisico per la prima volta durante il test sugli ioni pesanti del 2023, dove è stato dimostrato che aumenta l'efficienza di pulizia di un fattore fino a cinque rispetto allo schema di collimazione standard.

Installazione dei nuovi collimatori dei cristalli nel tunnel LHC al Punto7

A seguito di questo notevole successo di implementazione e dei test completi di sviluppo della macchina, gli obiettivi prestazionali di HL-LHC sono stati definitivamente confermati sia per le operazioni con protoni che con ioni. Ciò ha consentito di escludere dal progetto HL-LHC la soluzione di base che utilizzava un collimatore standard inserito nella sezione IR7 (che avrebbe costretto alla sostituzione, per creare lo spazio necessario, di un dipolo LHC standard da 8,3 T con due dipoli corti Nb3Sn da 11 T).

Le cavità "granchio"

Una seconda pietra angolare del progetto HL-LHC sono le cavità “granchio” superconduttrici a radiofrequenza. Posizionati accanto al dipolo D2 e al magnete quadrupolare a sezione corrispondente Q4 nelle regioni di inserimento, queste cavità sono necessarie per compensare l'effetto dannoso dell'angolo di incrocio sulla luminosità applicando “un calcio di momento trasversale” (ovvero una semi-rotazione del pacchetto del fascio NdT) a ciascun fascio che entra nelle regioni di interazione di ATLAS e CMS.

Schema logico di funzionamento della crab cavity, che "raddrizza" i pacchetti per migliorare l'impatto degli stessi nel punto di collisione

Verranno installati due diversi tipi di cavità: il dipolo a radiofrequenza (RFD) e il dipolo a doppio quarto d'onda (DQW), che deviano i grappoli rispettivamente nei piani di incrocio orizzontale e verticale (vedi immagine sopra). La produzione in serie delle cavità RFD sta per iniziare presso Zanon, in Italia, sotto la guida di AUP, mentre la produzione della serie di cavità DQW è ben avviata presso RI in Germania, sotto la guida del CERN, dopo la validazione riuscita di due cavità nude in pre-serie.

Un crio-modulo DQW completamente assemblato è stato sottoposto a dei test del fascio di grande successo nel Super Sincrotrone Protonico (SPS) dal 2018, dimostrando la formazione di fasci di protoni e consentendo lo sviluppo e la validazione dei necessari sistemi RF di basso livello e di protezione delle macchine. Per l'RFD, alla fine del 2021, sono state consegnate alla collaborazione del Regno Unito due cavità, dopo la loro corretta qualificazione al CERN.

Cavità a granchio. L’inserimento di un controllo del fascio in una cavità granchio (a sinistra) e l’arrivo all’SM18 di un crio-modulo RFD (a destra)

Queste sono state assemblate in un primo crio-modulo RFD completo, che è stato restituito al CERN nell'autunno 2023 ed è attualmente sottoposto a test di validazione a 1,9 K, rivelando alcune non conformità da risolvere prima che sia pronto per l'installazione nell'SPS nel 2025 per i test con fasci. Dopo la validazione dei prototipi, è stata avviata anche la produzione in serie dei necessari accessori e degli accoppiatori di modalità di ordine superiore per entrambi i tipi di cavità al CERN e all'AUP. Prima della fabbricazione, il concetto della cavità “granchio” è stato sottoposto a un lungo periodo di ricerca e sviluppo con il supporto di LARP, JLAB, UK-STFC e KEK.

Programmi futuri.

Il 2023 e il 2024 sono gli ultimi due anni di grande spesa e di assegnazione dei contratti industriali per il progetto HL-LHC. Con il completamento dei contratti di ingegneria civile e l'assegnazione dei contratti per i nuovi compressori criogenici e per i sistemi di distribuzione, il progetto ha ora impegnato oltre il 75% del suo budget previsto. Una revisione dei costi e della pianificazione di HL-LHC tenutasi al CERN nel Novembre 2023, condotta da un gruppo internazionale di esperti di acceleratori di altri laboratori, si è congratulata con il progetto per i buoni progressi complessivi e ha concordato con la proiezione di essere pronti per l'installazione delle principali attrezzature durante LS3 a partire dal 2026.