Un tour all’interno degli acceleratori e degli esperimenti del CERN

In questo ScienceShot, vi accompagneremo in un tour virtuale degli acceleratori e degli esperimenti del CERN.

Preparatevi a esplorare l’avanguardia dell’esplorazione scientifica, dove la tecnologia all’avanguardia incontra una profonda curiosità. Unitevi a noi per svelare i segreti dell’universo e assistere agli incredibili risultati resi possibili dalla genialità collettiva della comunità del CERN.

Large Hadron Collider (LHC)

Il Large Hadron Collider (LHC) è il più grande e potente acceleratore del CERN. La macchina LHC accelera e fa collidere fasci di protoni ma anche ioni più pesanti fino al piombo. È installato in un tunnel di 27 km di circonferenza, a circa 100 m di profondità. Il progetto di LHC si basa su crio-magneti superconduttori a doppia apertura che operano in un bagno di elio superfluido a 1,9 K.

LINAC4

Il CERN ha costruito il Large Hadron Collider (LHC), un acceleratore di particelle circolare superconduttore progettato per far collidere due fasci di protoni a 7 TeV di energia. L’LHC è ospitato in un tunnel di 27 km di circonferenza, a circa 100 m di profondità. Per migliorare le prestazioni di LHC, il CERN ha avviato un programma a lungo termine per la progressiva sostituzione o l’aggiornamento della vecchia catena di acceleratori attualmente utilizzati come iniettori per LHC. Il progetto Linac4 è il primo elemento di questo programma.

Linac4 è un acceleratore lineare per ioni negativi di idrogeno (H-), che durante il lungo arresto del 2019-2020 ha sostituito il vecchio Linac2 come iniettore lineare per gli acceleratori del CERN; dal 2020 è la sorgente dei fasci di protoni per l’LHC. La sua maggiore energia di 160 MeV (contro i 50 MeV di Linac2) aumenta l’intensità del fascio nelle macchine a valle. Linac4 è lungo 86 metri, a conduzione normale, ed è ospitato in un tunnel a circa 12 metri di profondità nel sito del CERN di Meyrin. Un edificio in superficie ospita le apparecchiature di Linac4. Il tunnel Linac4 è collegato alla catena di acceleratori esistente.

LIU

Per migliorare le prestazioni dell’LHC, e in particolare il tasso di collisioni osservate nei rivelatori (“luminosità”), è necessario migliorare anche il complesso di acceleratori che alimentano l’LHC con le particelle.

Si tratta di due acceleratori lineari (Linac3 e Linac4) e quattro sincrotroni (LEIR, PSB, PS e SPS). Lo scopo del progetto LHC Injectors Upgrade (LIU) era quello di implementare in questi acceleratori le modifiche e gli aggiornamenti necessari affinché l’LHC raggiungesse il suo obiettivo di maggiore luminosità; i lavori sono stati completati alla fine del 2020, durante il secondo lungo arresto (LS2).

ELENA

ELENA (Extra Low Energy Antiprotons) è un anello di 30 metri di circonferenza per il raffreddamento e l’ulteriore decelerazione degli antiprotoni da 5,3 MeV forniti dal deceleratore di antiprotoni (AD) del CERN fino a 100 keV, dove il programma di fisica consiste nell’intrappolare gli antiprotoni per creare atomi di anti-idrogeno dopo la ricombinazione con i positroni.

L’obiettivo fisico finale è quello di eseguire la spettroscopia su questi antiatomi a riposo e di studiare l’effetto della forza gravitazionale sulla materia e sull’antimateria. Prima di ELENA, la maggior parte (99,9%) degli antiprotoni prodotti andava persa a causa del processo di decelerazione. Utilizzando un anello dotato di raffreddamento del fascio, è possibile ottenere un importante aumento della densità dello spazio di fase e un’elevata efficienza di iniezione dell’esperimento, con conseguente aumento del numero di antiprotoni intrappolati. Con l’anello ELENA, il numero di antiprotoni intrappolati dagli esperimenti AD aumenta fino a due ordini di grandezza. Inoltre, ELENA è in grado di erogare fasci quasi simultaneamente a più esperimenti, con un guadagno essenziale in termini di tempo totale di fascio per ciascun esperimento: oggi AD ed ELENA servono AEgIS, ALPHA, ASACUSA, BASE e GBAR.

Proton Synchrotron (PS)

Il sincrotrone a protoni (PS) è un componente chiave del complesso di acceleratori del CERN, dove di solito accelera i protoni forniti dal PS Booster o gli ioni pesanti provenienti dal Low Energy Ion Ring (LEIR). Nel corso della sua storia, si è destreggiato tra molti tipi diversi di particelle, inviandole direttamente agli esperimenti o ad acceleratori più potenti.

Il PS ha accelerato per la prima volta i protoni il 24 novembre 1959, diventando per un breve periodo l’acceleratore di particelle a più alta energia del mondo. Il PS è stato il primo sincrotrone del CERN. Inizialmente era l’acceleratore di punta del CERN, ma quando il laboratorio costruì nuovi acceleratori negli anni ’70, il ruolo principale del PS divenne quello di fornire particelle alle nuove macchine. Nel corso degli anni ha subito molte modifiche e l’intensità del suo fascio di protoni è aumentata di mille volte.

Con una circonferenza di 628 metri, il PS dispone di 277 elettromagneti convenzionali (a temperatura ambiente), tra cui 100 dipoli per piegare i fasci intorno all’anello. L’acceleratore opera fino a 25 GeV. Oltre ai protoni, ha accelerato particelle alfa (nuclei di elio), nuclei di ossigeno e zolfo, elettroni, positroni e antiprotoni.

Super Proton Synchrotron (SPS)

Il Super sincrotrone di protoni (SPS) è la seconda macchina più grande del complesso di acceleratori del CERN. Con una circonferenza di quasi 7 chilometri, preleva le particelle dal sincrotrone protonico e le accelera per fornire fasci per il Large Hadron Collider e per gli esperimenti dell’area nord come NA61/SHINE, NA62 e AMBER, erede di COMPASS (concluso nel 2022). Fino al 2012 ha alimentato anche il fascio di neutrini CNGS diretto al Gran Sasso.

L’SPS è diventato il cavallo di battaglia del programma di fisica delle particelle del CERN quando è stato acceso nel 1976. Le ricerche condotte con i fasci SPS hanno sondato la struttura interna dei protoni, studiato la preferenza della natura per la materia rispetto all’antimateria, cercato la materia come poteva essere nei primi istanti dell’universo e ricercato forme esotiche di materia. Un momento importante è stato raggiunto nel 1983 con la scoperta, premiata con il Nobel, delle particelle W e Z, con l’SPS in funzione come collisore protone-antiprotone.

L’SPS opera fino a 450 GeV. Dispone di 1317 elettromagneti convenzionali (a temperatura ambiente), tra cui 744 dipoli per piegare i fasci intorno all’anello. L’acceleratore ha trattato molti tipi diversi di particelle: nuclei di zolfo e ossigeno, elettroni, positroni, protoni e antiprotoni.

ISOLDE

Il separatore di massa isotopico in linea ISOLDE è un impianto dedicato alla produzione di una grande varietà di fasci di ioni radioattivi per un gran numero di esperimenti diversi, ad esempio nel campo della fisica nucleare e atomica, della fisica dello stato solido, delle scienze della vita e della scienza dei materiali. All’ISOLDE, i nuclidi radioattivi sono prodotti in bersagli spessi ad alta temperatura attraverso reazioni di spallazione, fissione o frammentazione.

I bersagli sono collocati nel fascio esterno di protoni del PS Booster, con energie tra 1 e 2 GeV. ISOLDE conta quasi 1000 utenti.

HIE-ISOLDE

Il progetto High Intensity and Energy (HIE) ISOLDE è un importante aggiornamento delle strutture ISOLDE e REX-ISOLDE del CERN. Il Radioactive ion beam EXperiment (REX) di ISOLDE fornisce alla comunità della fisica nucleare un’ampia gamma di fasci di ioni radioattivi (RIB) post-accelerati dal 2001, con energie fino a 2,8 MeV/u ottenute con un acceleratore lineare a conduzione normale. L’obiettivo del progetto HIE-ISOLDE, completato nel 2018, era quello di ampliare notevolmente il programma di fisica rispetto a quello di REX-ISOLDE.

Il miglioramento più significativo deriva dalla sostituzione della maggior parte della struttura di accelerazione di REX con un acceleratore lineare superconduttore, progettato per arrivare a quattro criomoduli ad alta energia e due a bassa energia installati in serie e contenenti risonatori a quarto d’onda RF superconduttori e solenoidi. Dal 2018 permette di raggiungere energie vicine a 10 MeV/u con la piena variabilità energetica dei RIB. Ciò consente a tutti i fasci ISOLDE di essere accelerati a energie ben al di sotto e significativamente al di sopra della barriera di Coulomb, facilitando un ampio programma di studi sulla struttura nucleare e sull’astrofisica nucleare utilizzando diverse classi di reazioni nucleari.

Compact Linear Collider (CLIC)

Il Compact Linear Collider (CLIC) è uno studio internazionale per un futuro collisore lineare di elettroni e positroni ad alto gradiente e multi-TeV, una macchina che completerebbe l’LHC alla frontiera energetica.

Il CLIC si basa su un nuovo concetto di accelerazione a due fasci, in cui impulsi di potenza RF a 12 GHz sono generati da fasci di elettroni ad alta corrente che corrono paralleli ai fasci principali. I fasci di propulsione vengono decelerati in strutture di estrazione di potenza e la potenza RF estratta viene trasferita a strutture a temperatura ambiente che accelerano i fasci principali di elettroni e positroni. Grazie alla sua struttura modulare, il CLIC potrebbe essere costruito in fasi di energia crescente del fascio.

Molti aspetti chiave dello schema CLIC sono stati affrontati sperimentalmente nella struttura di prova CTF3 del CERN, che ha concluso il suo programma nel dicembre 2016 ed è stata convertita nell’acceleratore CLEAR, e in altre strutture di prova presso istituti che collaborano. Parallelamente, sono in corso studi sul rivelatore e sulla fisica di CLIC, compresi sviluppi tecnici specifici e misure di fasci di prova. Lo studio CLIC, ospitato dal CERN, è organizzato come una collaborazione internazionale con più di 70 istituti in oltre 30 paesi. Nel 2012 ha pubblicato il rapporto di progettazione concettuale di CLIC. Nel maggio 2026, però, l’aggiornamento della Strategia europea per la fisica delle particelle ha indicato come opzione preferita per il prossimo grande progetto del CERN il Future Circular Collider elettrone-positrone (FCC-ee), un anello di circa 91 km il cui studio di fattibilità è stato pubblicato nel marzo 2025; la decisione sulla sua costruzione è attesa entro il 2028.

HL-LHC

High Luminosity LHC (HL-LHC) è un progetto che mira a potenziare il collisore LHC per mantenere i progressi scientifici e sfruttarne appieno la capacità: l’LHC si è fermato a fine giugno 2026 per il terzo lungo arresto, e la nuova macchina dovrebbe entrare in funzione a metà del 2030. Aumentando la sua luminosità di picco di un fattore cinque rispetto al valore nominale, sarà in grado di raggiungere un livello più elevato di luminosità integrata, quasi dieci volte l’obiettivo iniziale del progetto LHC. A questo scopo, HL-LHC sta esplorando nuove configurazioni del fascio e nuove tecnologie avanzate nel campo della superconduttività, della criogenia, dei materiali resistenti alle radiazioni, dell’elettronica e della gestione a distanza.

Lo studio di HiLumi LHC riguarda nuovi magneti superconduttori ad alto e medio campo, cavità superconduttrici a radiofrequenza, collimatori e lunghi e potenti collegamenti superconduttori. È completato da studi per nuovi impianti criogenici a 1,9 K, assorbitori strumentati per un elevato flusso di radiazioni e nuova diagnostica del fascio.

Il progetto è iniziato nel 2011 come studio di progettazione del 7° PQ della Commissione europea “HiLumi LHC”. La fase di costruzione è iniziata nel 2015; oggi il progetto, guidato dal CERN, coinvolge quasi 50 istituzioni in più di 20 paesi.

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