LHC riparte, a caccia del record dei 7 TeV

Il Large Hardon Collider (LHC), l’acceleratore di particelle del CERN di Ginevra, sta concludendo i test preparativi per una nuova fase di operazione. Ripartirà infatti alla fine di febbraio 2010, più sicuro e con il nuovo obiettivo di raggiungere il record di energia di collisione di 7 TeV (3.5 TeV per fascio).

Già durante il 2009, e più precisamente il 20 novembre, i fasci di particelle iniettati in LHC avevano compiuto le prime rivoluzioni complete. Qualche giorno dopo, il 23 novembre, le prime collisioni potevano essere osservate dai sei esperimenti di fisica: Alice, Atlas, CMS, LHCb, LHCf e Totem. Il picco di energia di 2.36 TeV fu raggiunto il 16 dicembre, data alla quale LHC fu congedato per un corto periodo di revisione tecnica necessario prima della prossima ripresa nel 2010.

Per sanare lo stato della macchina a seguito all’incidente tecnico occorso nel settembre 2008 e arrivare a questi risultati, ci sono voluti parecchi mesi di lavoro di fisici, ingegneri e tecnici specializzati, sia appartenenti al personale CERN che a collaborazioni internazionali.

Il programma di riparazione si è articolato su diversi fronti, implicando tecnologie di punta, ma anche migliorie tecniche per prevenire i danni collaterali che hanno aggravato sensibilmente le conseguenze dell’incidente.

I magneti più danneggiati, oltre 50, sono stati sostituiti con nuovi di scorta. Circa 200 connessioni elettriche superconduttrici tra i magneti sono state riparate. Più di 4 km di camera a vuoto, dove circolano le particelle, sono stati accuratamente ripuliti da contaminazioni microscopiche. Speciali rinforzi meccanici sono stati apposti ai piedi di sostegno dei magneti. Nuove valvole di depressurizzazione sono state installate per evitare la propagazione di un’onda di pressione ai mangeti circostanti, in caso di anormale evaporazione di importanti quantità di fluido criogenico.

L’aspetto tecnologicamente più innovativo riguarda peraltro l’installazione del nuovo apparato di protezione (nQPS) delle giunzioni superconduttrici. Questo è un sofisticato sistema elettronico, geograficamente distribuito lungo tutti i 27 km dell’acceleratore, atto a  monitorare la resistenza elettrica delle linee di alimentazione dei magneti nei punti critici delle giunzioni.

I valori resistivi massimi consentiti sono di 1 nOhm per giunzione, cioè di appena 1 miliardesimo di Ohm (l'Ohm è l'unità della resistenza opposta da un mezzo al passaggio della corrente elettrica). Il sistema di misura completo è formato da 440 unità modulari, per un totale di 4400 schede elettroniche. Un segnale di allarme viene generato automaticamente quando le condizioni di funzionamento dei magneti e delle loro interconnessioni si discostano dalla normalità.

Quando una di queste schede rivela un eccesso di resistenza elettrica, ciò significa che si è verificata una transizione resistiva del superconduttore, il cosiddetto “quench” in termini tecnici. Il conseguente riscaldamento dello stesso al passaggio della corrente può rapidamente portare alla sua rottura per fusione: è quindi  di vitale importanza spegnere prontamente l’alimentazione ed estrarre l’energia magnetica immagazzinata nei magneti deviando la corrente su una resistenza elettrica di grande potenza.

Un’ulteriore sicurezza che gli ingegneri hanno inserito nel sistema di protezione consiste nel sorvegliare i magneti dall’eventualità di un quench di tipo simmetrico. Si tratta di evento piuttosto raro e che ha la particolarità di svilupparsi in condizioni molto particolari in magneti adiacenti a un altro che ha subito un quench normale. Il meccanismo di generazione è piuttosto complesso ed è legato alla probabilità di propagazione di un’onda di calore con un fronte omogeneo e che arriva a lambire entrambe le bobine di un magnete contemporaneamente e nella stessa misura. Solo il nuovo sistema di protezione è in grado di rivelare questa situazione e quindi attivare la protezione del magnete in questione.

Durante il funzionamento dell’acceleratore si producono radiazioni ionizzanti che possono provocare una serie di disfunzionamenti più o meno gravi nell’elettronica di controllo. Si possono verificare: una deriva dei parametri fini di regolazione dei valori di soglia; oppure invecchiare precocemente i componenti elettronici, fino a portarli al limite alla loro distruzione; o infine generare malfunzionamenti puntuali che possono inibire i livelli di sicurezza per tempi più o meno lunghi. Per ovviare a questo tutti i componenti elettronici più sensibili e critici sono stati testati in tolleranza alle radiazioni e solamente quelli che hanno superato rigidi criteri di affidabilità sono stati qualificati per l’utilizzazione.

Non si deve dimenticare che in ogni sistema complesso, incluso quello brevemente qui descritto, presto o tardi si devono fare i conti anche con le problematiche di installazione e infratruttura. A questo proposito va ricordato che si è recentemente conclusa in un tempo record di 14 giorni una campagna di ricablaggio cavi effettuata direttamente nel tunnel della macchina. Le condizioni di lavoro non sono state certamente agevoli per il personale tecnico, ma il loro impegno è stato esemplare e l’obiettivo di rinnovare 4.200 connessioni elettriche per garantire la loro efficacia in condizioni limite di sovratensioni, è stato felicemente raggiunto.

Come si può notare, in tutti questi ultimi mesi è stato compiuto su LHC un lavoro molto dettagliato di consolidamento, che ha coinvolto un grande numero di esperti e consulenti a livello internazionale. Grazie alla perseveranza di tutte queste persone, si può affermare che oggi si conoscono certamente meglio gli aspetti critici di funzionamento della macchina e le relative misure correttive sono state ampiamente prese in conto. LHC potrà quindi fornire alla sua prossima partenza nuovi dati scientifici di qualità a tutta la comunità internazionale della fisica delle alte energie, raggiungere nuovi record di operazione e soprattutto essere messo in funzione in modo più sicuro ed efficace per tutta l’installazione.