Berkeley Lab ha finito di avvolgere i fili nei cavi necessari per realizzare magneti di focalizzazione per il progetto di aggiornamento dell’acceleratore. Marilyn Sargent/Berkeley Lab.
Punti chiave
- I ricercatori statunitensi hanno raggiunto un traguardo importante nel progetto di aggiornamento dell’acceleratore HL-LHC completando 111 cavi superconduttori ad alta tecnologia
- I cavi verranno utilizzati per realizzare i magneti di focalizzazione più potenti installati in qualsiasi acceleratore; condenseranno i raggi di particelle subito prima che si scontrino nei rilevatori
- Questi magneti al niobio-stagno sono uno dei tanti miglioramenti apportati all’LHC ad alta luminosità, che aumenterà di dieci volte i set di dati sperimentali dell’LHC
Per comprendere meglio come funziona il nostro universo, i ricercatori stanno aggiornando il più potente acceleratore di particelle al mondo: il Large Hadron Collider (LHC). [Last week]un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia ha completato un passo cruciale nell’aggiornamento, trasformando più di 2.220 km (1.367 miglia) di cavi in cavi per la prossima generazione di magneti di focalizzazione dell’LHC.
I magneti saranno i più potenti nel loro genere e aumenteranno notevolmente il numero di collisioni nei due rilevatori generici dell’LHC, ATLAS e CMS. Più collisioni producono più dati, il che significa che gli scienziati possono cercare meglio fenomeni rari e da scoprire e indagare su alcuni dei più grandi misteri della fisica, cose come l’origine della massa e la natura della materia oscura e dell’energia oscura.
“I magneti superconduttori consentono la scienza prodotta all’LHC e disponiamo di un eccezionale team multi-laboratorio che spinge le frontiere della tecnologia dei magneti”, ha affermato Soren Prestemon, direttore del Berkeley Center for Magnet Technology. “Per la prima volta utilizzeremo le straordinarie proprietà del superconduttore niobio-stagno in un collisore operativo”.
Il primo passo per realizzare questi magneti è trasformare i fili superconduttori in cavi che possono poi essere avvolti in bobine magnetiche. Ma realizzare quei cavi non è un’impresa facile. Ciascuno dei 111 cavi è un unico pezzo continuo realizzato avvolgendo 40 singoli fili di filo attorno a un nucleo di acciaio inossidabile. Se anche solo un filo si incrociasse su un altro in qualsiasi punto dell’intera lunghezza – in genere 470 metri – il cavo si rovinerebbe. Lo sforzo ha richiesto la collaborazione di esperti della Divisione ATAP (Accelerator Technology & Applied Physics) e della Divisione di Ingegneria del Berkeley Lab.
“Siamo come il direttore di una compagnia di balletto”, ha affermato Ian Pong, uno scienziato dell’ATAP che guida il compito di cablaggio. “Abbiamo 40 ballerini – le bobine di filo – che piroettano in cerchio per un percorso di circa tre ore, e la nostra responsabilità è quella di assicurarci che non si verifichi un singolo passo mancato durante l’intera performance.”
Come i tecnici trasformano i fili superconduttori in cavi per i magneti dell’LHC, Berkeley Lab
La realizzazione dei cavi è una parte dell’Accelerator Upgrade Project (AUP), il contributo statunitense al progetto High-Luminosity LHC (HL-LHC). Quattro istituzioni collaborano per progettare, produrre e testare i magneti per AUP: Berkeley Lab, Brookhaven National Laboratory, National High Magnetic Field Laboratory presso la Florida State University e Fermi National Accelerator Laboratory, che guida il progetto.
“Sebbene ogni fase del processo di costruzione del magnete abbia la stessa importanza, nessuna delle altre fasi può avvenire senza prima avere cavi superconduttori di alta qualità”, ha affermato Mike Naus, un ingegnere scientifico associato all’ATAP e vice leader dell’attività.
Dal 2016, Berkeley Lab avvolge i cavi AUP e li invia in un viaggio di mesi per diventare magneti. I cavi vengono avvolti e trattati termicamente al Brookhaven Lab e al Fermilab prima di tornare al Berkeley Lab, dove quattro bobine vengono assemblate in magneti chiamati quadrupoli. Al Fermilab, i quadrupoli vengono uniti in “crioassemblaggi” che vengono testati e spediti al CERN, dove verranno installati durante una lunga chiusura dell’LHC alla fine di questo decennio.
“Si tratta di apparecchiature ad altissima tecnologia che coinvolgono persone provenienti da tutti gli Stati Uniti”, ha affermato Jean-Francois Croteau, un ricercatore post-dottorato presso l’ATAP che ha lavorato sulla garanzia della qualità dei cavi. “È impressionante avere tutti questi laboratori coinvolti per creare qualcosa che nessuno di loro potrebbe realizzare da solo.”
Realizzare i nuovi magneti in niobio-stagno consente campi magnetici più ampi rispetto a qualsiasi magnete precedente realizzato in niobio-titanio. I magneti funzioneranno a circa 12 tesla, diverse centinaia di migliaia di volte più forti del campo magnetico terrestre. Lavoreranno di concerto con una versione più lunga dei magneti quadrupolari attualmente prodotti dal CERN (dove l’avvolgimento del cavo superconduttore è completo al 70%).
Insieme, i magneti di focalizzazione comprimeranno i fasci di particelle dell’LHC in gruppi densi, aumentando la possibilità che le particelle interagiscano. Una volta aggiornato, l’LHC ad alta luminosità sarà in grado di produrre tra 5 e 7,5 miliardi di collisioni di protoni al secondo (rispetto al miliardo attuale) e gli scienziati prevedono di produrre almeno 15 milioni di bosoni di Higgs all’anno.
Realizzare il cavo perfetto
Controllo della qualità del cavo. Immagine gentilmente concessa dal Berkeley Lab.
Ogni filo contiene niobio e stagno, separati dal rame. Durante il trattamento termico, si forma il niobio-stagno superconduttore. Immagine gentilmente concessa dal Berkeley Lab.
Non lontano dalla cablatrice ci sono pile di scatole di pizza con codici a barre. Ognuno contiene un campione di cavo: una registrazione di ciò che è stato prodotto e uno dei tanti elementi di controllo di qualità. Il team del Berkeley Lab ha utilizzato una combinazione di fotocamere, microscopi e test elettrici e meccanici per garantire che i cavi soddisfacessero le loro rigorose specifiche. Ad esempio, lo spessore sull’intera lunghezza del cavo potrebbe variare di non più di 10 micron in entrambe le direzioni, circa un decimo della larghezza di un capello umano.
Ogni cavo nasce come un fascio di fili caotici che i tecnici hanno messo in ordine. Dopo aver ispezionato un campione di qualificazione, il team iniziava la corsa di cablaggio ininterrotta di 3 ore.
“Volevamo tutta l’emozione durante i controlli preliminari e al di fuori dei percorsi dei cavi”, ha affermato Andy Lin, un ingegnere scientifico associato di ATAP che guida le operazioni tecniche di cablaggio per il progetto e utilizza la macchina dal 2015. “Durante la produzione, potevamo apportare micro-regolazioni, come spostare la testa della macchina di un millesimo di pollice, ma qualsiasi azione che intraprendiamo durante la corsa è un rischio, quindi abbiamo cercato di non farlo a meno che non fosse necessario.
Venti piedi lungo la linea, le telecamere hanno ripreso tutti e quattro i lati del cavo appiattito per tutta la sua lunghezza, assicurandosi che nessun filo si incrociasse. Il controllo di ciascun cavo richiede quasi 50.000 immagini, ovvero circa 5 milioni su AUP.
Nel corso del progetto, i ricercatori hanno imparato sempre di più sulla macchina per il cablaggio e su come piccoli cambiamenti potrebbero produrre sottili differenze nel cavo finale. Qualcosa di semplice come il punto in cui è stata applicata la lubrificazione ai cavi o se un ventilatore da ufficio è stato puntato sulla macchina potrebbe influenzare il prodotto finale. Sono stati inoltre apportati miglioramenti, come l’accelerazione del codice che analizza le immagini affinché operi quasi in tempo reale.
“Stiamo facendo progressi nel campo delle possibilità nella costruzione di questi nuovi cavi”, ha affermato Cameron Geddes, direttore dell’ATAP. “Mentre questi magneti alimentano una nuova generazione di fisica fondamentale, le tecniche che abbiamo sviluppato durante questo progetto rappresentano un passo avanti verso futuri acceleratori ancora più potenti”.
Per formare i cavi, la torsione del filo viene modellata in un cavo piatto “stile Rutherford”, deformando il filo ai bordi. Per garantire la disposizione e l’integrità dei fili, i ricercatori hanno tagliato con cura una sezione dall’estremità di ciascun cavo per l’ispezione e i test, comprese le misurazioni a temperature estremamente fredde (criogeniche). Ciascun campione è stato quindi archiviato nella sua scatola per pizza e l’intera bobina di cavo è stata imballata in modo sicuro e trasportata alla fase successiva.
Mentre la fase di cablaggio per l’AUP è ormai terminata, i team delle istituzioni collaboratrici continuano ad assemblare i magneti di focalizzazione. Il Berkeley Lab prevede di terminare la realizzazione dei quadrupoli nel 2025, mentre i ricercatori prevedono di attivare l’HL-LHC nel 2029.
“I magneti per il progetto di aggiornamento dell’acceleratore sono una tecnologia all’avanguardia e iniziano con gli eccezionali cavi prodotti presso il Berkeley Lab”, ha affermato Giorgio Apollinari, scienziato del Fermilab e project manager di HL-LHC AUP. “Abbiamo ancora molto lavoro da fare, ma questa è una pietra miliare significativa nel nostro percorso verso l’HL-LHC e le scoperte che potrebbe portare”.
Questo lavoro è supportato dal programma DOE Office of Science High Energy Physics.
Di Lauren Biron. Per gentile concessione del Berkeley Lab.
Fondato nel 1931 con la convinzione che le più grandi sfide scientifiche siano affrontate meglio da un team, il Lawrence Berkeley National Laboratory e i suoi scienziati sono stati insigniti di 16 premi Nobel. Oggi, i ricercatori del Berkeley Lab sviluppano soluzioni energetiche e ambientali sostenibili, creano nuovi materiali utili, avanzano le frontiere dell’informatica e indagano i misteri della vita, della materia e dell’universo. Scienziati di tutto il mondo si affidano alle strutture del laboratorio per le proprie scoperte scientifiche. Berkeley Lab è un laboratorio nazionale multiprogramma, gestito dall’Università della California per l’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
L’Office of Science del DOE è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni, visitare Energy.gov/science.
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