Al Cern iniziano i lavori per HiLumi LHC, verso una nuova fisica / At Cern, work begins for HiLumi LHC, towards a new physics

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Crediti: CERN. La costruzione di High-Luminosity LHC

È una priorità della strategia europea della fisica delle particelle, e sarà il più grande progetto di fisica dei prossimi 10 anni. È High Luminosity LHC, detto HiLumi LHC, di cui ieri, il 15 giugno 2018, al CERN, si è celebrata la posa della prima pietra con l’inizio dei lavori di ingegneria civile. Il progetto HiLumi LHC, progetto nel quale l’Italia è in prima linea con l’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, potenzierà il superacceleratore del CERN in modo da aumentarne la luminosità, uno dei principali indicatori delle performance di un acceleratore di particelle, e cioè il numero di collisioni potenziali per unità di superficie in un dato intervallo di tempo. E anche i grandi rivelatori, collocati lungo l’anello superconduttore di 27 km di LHC nei punti di collisione dei fasci di particelle, dovranno essere potenziati in vista delle nuove prestazioni della macchina. Da oggi, LHC entra, dunque, ufficialmente in una nuova fase, che lo porterà ad aumentare enormemente il suo potenziale di scoperta.

“Una nuova fase di questa spettacolare macchina è iniziata”, ha commentato Fernando Ferroni, presidente dell’INFN. “Molti più eventi saranno prodotti e questo permetterà di esplorare le proprietà del bosone di Higgs in profondità e scoprire, qualora la natura le abbia previste, nuove particelle”. “Punto di forza di questo progetto sono i magneti basati su una nuova tecnologia superconduttiva che permetterà poi ulteriori passi in avanti e anche nuove applicazioni nel campo della medicina nella risonanza per immagini”, conclude Ferroni.

“Il progetto è una nuova configurazione di LHC, – ha spiegato Lucio Rossi, project manager di HiLumi LHC – che dovrebbe essere capace di aumentare di un fattore 5 la luminosità di picco, cioè il numero di eventi prodotti al secondo, e di un fattore 10 la luminosità integrata, cioè la quantità di dati complessiva raccolta dagli esperimenti”. “Per ottenere queste prestazioni, – prosegue Rossi – non è sufficiente migliorare la macchina, è necessario che anche gli esperimenti siano potenziati”. “Per osservare qualcosa, infatti, non basta fare luce, bisogna che anche gli occhi siano efficienti, altrimenti è come quando ti puntano una luce intensa dritto in faccia: rimani abbagliato, non vedi più nulla. Stiamo quindi lavorando a un sostanziale upgrade sia dell’acceleratore sia dei rivelatori”. “Oggi, con la posa della prima pietra si segna il passaggio dalla fase di progettazione e finalizzazione di ricerca e sviluppo alla fase di costruzione industriale: il conto alla rovescia per il 2026, anno previsto per l’inizio della presa dati ad alta luminosità, è cominciato!”, conclude Lucio Rossi.

LHC (Large Hadron Collider) è il più potente acceleratore mai realizzato, ed è entrato in attività nel 2010. Si tratta di un anello sotterraneo lungo 27 km, una sorta di pista magnetica superconduttiva, al cui interno fasci di particelle, protoni o ioni, vengono accelerati quasi alla velocità della luce e fatti scontrare in quattro precisi punti di collisione, dove sono collocati i rivelatori, i giganti ATLAS, CMS, ALICE e LHCb, e i più piccoli Totem e LHCf, che osservano e studiano i prodotti di queste collisioni. Mentre LHC è in grado di produrre fino a 1 miliardo di collisioni protone-protone al secondo, HiLumi LHC aumenterà ulteriormente questo numero, che tecnicamente viene definito luminosità, da 5 a 7 volte. Ciò significa che i fisici con i loro esperimenti saranno in grado di investigare fenomeni rari e raccogliere misure più accurate. Se LHC ha permesso di scoprire il bosone di Higgs nel 2012 e dimostrare così come le particelle elementari acquisiscano la loro massa, ora, il progetto HiLumi LHC contribuirà a chiarire le proprietà del bosone di Higgs in modo più accurato e descrivere così con maggiori dettagli come viene prodotto, decade e interagisce con le altre particelle. Inoltre, saranno messi alla prova scenari oltre al Modello Standard (vale a dire teorie che superano la nostra attuale descrizione della natura, delle particelle e delle forze che ne regolano le interazioni), tra cui, per esempio, la supersimmetria (SUSY), le teorie con extradimensioni, la struttura dei quark e molto altro ancora.

“LHC ha ormai superato le prestazioni di disegno, sfidando gli apparati sperimentali a mettere a punto nuove tattiche e ad anticipare la sfida tecnologica di lavorare ad alta luminosità”, spiega Nadia Pastrone, ricercatrice dell’INFN che lavora in CMS e presidente della Commissione Nazionale per la fisica delle alte energie dell’INFN. “ATLAS e CMS, gli esperimenti che hanno scoperto nel 2012 il bosone di Higgs, hanno cominciato già da tempo a pianificare le nuove strategie per adattare gli apparati sperimentali alle sfide di HiLumi LHC, che richiederà la costruzione di nuovi rivelatori, sempre più integrati con il processo di selezione degli eventi, e una nuova concezione del calcolo che permetta di raggiungere i migliori risultati sperimentali”, conclude Pastrone.

Il progetto HiLumi LHC è frutto di un grande impegno internazionale che coinvolge 29 Istituti di 13 Paesi. È iniziato nel novembre 2011 e due anni dopo è stato incluso tra le principali priorità della strategia europea per la fisica delle particelle. Dopo il successo della fase di “prototipazione”, molti nuovi elementi hardware saranno costruiti e installati nei prossimi anni. Complessivamente, più di 1,2 km della macchina attuale dovranno essere sostituiti con nuovi componenti ad alta tecnologia, come magneti, collimatori e cavità a radiofrequenza.

La tecnica per aumentare il tasso di collisioni è “strizzare” il fascio di particelle nei punti di interazione, in modo che la probabilità di collisione protone-protone aumenti. Per ottenere ciò, HiLumi LHC richiede circa 150 nuovi magneti: in particolare, 24 nuovi quadrupoli focalizzanti superconduttori per focalizzare il fascio e 4 dipoli superconduttori con un campo di oltre 11 tesla (gli attuali dipoli di LHC sono a 8,3 tesla). Il compito di questi dipoli consiste nel piegare il fascio attorno alla traiettoria circolare. Saranno inoltre installate sedici crab cavity, cioè “cavità a granchio”, per massimizzare la sovrapposizione dei pacchetti di protoni nei punti di collisione. La loro funzione è inclinare i pacchetti di protoni in modo che si muovano sul piano trasverso, insomma lateralmente, proprio come un granchio. Un altro componente chiave per aumentare la luminosità generale di LHC è aumentare la disponibilità e l’efficienza della macchina. Per questo, il progetto HiLumi LHC sostituirà alcuni dispositivi in modo che sia più accessibile per la manutenzione.

Si svolgeranno anche importanti lavori di ingegneria civile, principalmente in due località, in Svizzera in corrispondenza dell’esperimento CMS e in Francia all’esperimento ATLAS. Includono la costruzione di nuovi edifici, pozzi, caverne e gallerie sotterranee. Le gallerie e le sale sotterranee ospiteranno nuovi dispositivi criogenici, l’alimentazione e altri impianti elettrici, il raffreddamento e la ventilazione.

Durante la durata dei lavori, LHC continuerà a funzionare con periodi di lunghi stop tecnici che consentiranno, oltre alle normali attività di manutenzione, di prepararsi per l’alta luminosità. Dopo il completamento del suo massiccio aggiornamento, LHC dovrebbe produrre dati in modalità ad alta luminosità dal 2026 in poi, spingendo le frontiere della tecnologia dell’acceleratore e dei rivelatori e aprendo anche la strada a futuri acceleratori ad alta energia.

ENGLISH

It is a priority of the European particle physics strategy, and will be the largest physics project in the next 10 years. It is High Luminosity LHC, called HiLumi LHC, of ​​which yesterday, June 15, 2018, at CERN, the laying of the foundation stone was celebrated with the beginning of civil engineering works. The HiLumi LHC project, a project in which Italy is at the forefront of the INFN National Institute of Nuclear Physics, will enhance the CERN super-accelerator in order to increase its luminosity, one of the main indicators of the performance of a particle accelerator, and that is, the number of potential collisions per surface unit in a given time interval. And even the large detectors, placed along the 27 km long LHC superconducting ring in the collision points of the particle beams, will have to be upgraded in view of the new machine performance. From now on, LHC will officially enter a new phase, which will greatly increase its potential for discovery.

"A new phase of this spectacular machine has begun", said Fernando Ferroni, INFN president. "Many more events will be produced and this will allow us to explore the properties of the Higgs boson in depth and discover, if nature has foreseen it, new particles". "The strength of this project is the magnets based on a new superconductive technology that will allow further steps forward and also new applications in the field of medicine in imaging resonance", concludes Ferroni.

"The project is a new configuration of LHC, - explained Lucio Rossi, project manager of HiLumi LHC - that should be able to increase by a factor of 5 the peak brightness, ie the number of events produced per second, and a factor 10 the integrated brightness, that is the total amount of data collected by the experiments ". "To achieve this performance, - Rossi continues - it is not enough to improve the car, it is necessary that the experiments are also enhanced". "To observe something, in fact, it is not enough to shed light, it is also necessary that the eyes are efficient, otherwise it is like when an intense light is pointing you straight in the face: stay dazzled, you can not see anything anymore. We are therefore working on a substantial upgrade of both the accelerator and the detectors ". "Today, with the laying of the first stone marks the transition from the design and finalization phase of research and development to the industrial construction phase: the countdown to 2026, the year scheduled for the start of high-brightness data capture, it's started! ", concludes Lucio Rossi.

LHC (Large Hadron Collider) is the most powerful accelerator ever built, and entered into activity in 2010. It is a 27 km long underground ring, a sort of superconductive magnetic track, inside which beams of particles, protons or ions, they are accelerated almost at the speed of light and collided into four precise points of collision, where the detectors are located, the ATLAS, CMS, ALICE and LHCb giants, and the smaller Totem and LHCf, which observe and study the products of these collisions. While LHC is able to produce up to 1 billion proton-proton collisions per second, HiLumi LHC will further increase this number, which is technically called brightness, from 5 to 7 times. This means that physicists with their experiments will be able to investigate rare phenomena and collect more accurate measurements. If LHC allowed us to discover the Higgs boson in 2012 and demonstrate how elementary particles acquire their mass, now, the HiLumi LHC project will help to clarify the properties of the Higgs boson more accurately and describe it in more detail as it is produced, decays and interacts with the other particles. In addition, scenarios will be tested in addition to the Standard Model (ie theories that exceed our current description of the nature, particles and forces that govern their interactions), including, for example, supersymmetry (SUSY), theories with extradimensions, the structure of the quarks and much more.

"LHC has now exceeded the design performance, challenging the experimental equipment to develop new tactics and to anticipate the technological challenge of working at high brightness", explains Nadia Pastrone, INFN researcher who works in CMS and president of the National Commission for INFN high-energy physics. "ATLAS and CMS, the experiments discovered in 2012 by the Higgs boson, have already started planning new strategies to adapt the experimental equipment to the challenges of HiLumi LHC, which will require the construction of new detectors, increasingly integrated with the process of selecting events, and a new conception of the calculation that allows to achieve the best experimental results ", concludes Pastrone.

The HiLumi LHC project is the result of a major international effort involving 29 Institutes of 13 countries. It started in November 2011 and two years later was included as one of the main priorities of the European particle physics strategy. After the success of the "prototyping" phase, many new hardware elements will be built and installed in the coming years. Overall, more than 1.2 km of the current machine will need to be replaced with new high-tech components, such as magnets, collimators and radio frequency cavities.

The technique to increase the rate of collisions is to "squeeze" the particle beam at the points of interaction, so that the probability of a proton-proton collision increases. To achieve this, HiLumi LHC requires about 150 new magnets: in particular, 24 new superconducting focusing quadrupoles to focus the beam and 4 superconducting dipoles with a field of over 11 tesla (the current LHC dipoles are 8.3 tesla). The task of these dipoles consists in bending the beam around the circular trajectory. Sixteen crab cavities, ie "crab cavities", will be installed to maximize the overlap of proton packets at collision points. Their function is to incline proton packets so that they move on the transverse plane, in other words laterally, just like a crab. Another key component to increasing the overall brightness of LHC is to increase the availability and efficiency of the machine. For this, the HiLumi LHC project will replace some devices so that it is more accessible for maintenance.

Important civil engineering works will also take place, mainly in two locations, in Switzerland at the CMS experiment and in France at the ATLAS experiment. They include the construction of new buildings, wells, caverns and underground tunnels. Tunnels and underground rooms will host new cryogenic devices, power and other electrical systems, cooling and ventilation.

During the duration of the work, LHC will continue to operate with long technical stops that will allow, in addition to normal maintenance activities, to prepare for high brightness. After completing its massive upgrade, LHC is expected to produce high-brightness data from 2026 onwards, pushing the boundaries of accelerator technology and detectors and paving the way for future high-energy accelerators.

Da:

https://www.galileonet.it/2018/06/cern-iniziano-lavori-hilumi-lhc-verso-nuova-fisica/