Intervista a Oliver Brüning, Direttore del Dipartimento Acceleratori e Tecnologia del CERN
29 giugno, ore 6.00: LHC si ferma per un aggiornamento di quattro anni. In che cosa consisterà? Quali limiti dell’acceleratore attuale ci permetterà di superare?
È una domanda complessa, perché in questi quattro anni aggiorneremo parecchi elementi, e c’è il rischio di semplificare troppo dicendo soltanto che stiamo rendendo LHC più performante. Abbiamo in programma di rinnovare profondamente l’intero complesso di acceleratori del CERN, e durante il Long Shutdown 2 (dal 2018 al 2022) abbiamo già aggiornato il complesso degli iniettori per prepararlo al grande upgrade del Long Shutdown 3 (2026-2030). L’obiettivo è aumentare le intensità del fascio in LHC e la luminosità, che è la misura di quanti eventi possiamo produrre al secondo per unità di spazio. Al momento, a LHC abbiamo due limiti di intensità fondamentali: l’intensità complessiva che la macchina può gestire prima che si verifichino instabilità del fascio, e la potenza del sistema a radiofrequenza. Per il primo limite, stiamo aggiornando il sistema di collimazione, ovvero le sezioni dedicate alla pulizia del fascio. Nello specifico, posizioneremo degli assorbitori il più vicino possibile al fascio per rimuovere le particelle vaganti, che generano campi elettromagnetici indesiderati e causano instabilità – un effetto descritto dalle cosiddette impedenze del fascio. Sostituiremo quindi i collimatori attuali con collimatori a bassa impedenza, così da aprire la strada a un aumento dell’intensità. Per quanto riguarda invece il limite di potenza del sistema a radiofrequenza, anche questo verrà aggiornato e migliorato, così da poter sostenere intensità di fascio più elevate una volta usciti dal Long Shutdown 3. I principali aggiornamenti hardware che realizzeremo, però, riguardano le sezioni a sinistra e a destra dei rivelatori di ATLAS e CMS, gli elementi di focalizzazione che preparano i fasci per le collisioni e per i rivelatori, per un totale di circa 1,5 km di infrastruttura. Questo intervento ha due obiettivi: produrre una maggiore apertura per il fascio, in modo da poterlo focalizzare in punti più piccoli nel rivelatore; e accrescere la potenza criogenica, che raffredda i magneti dal calore depositato dai detriti che sfuggono ai rivelatori. Questi detriti finiscono, in gran parte, negli elementi di focalizzazione ai lati del rivelatore, emettendo radiazione. Esiste un limite di vita delle apparecchiature dovuto alla radiazione, perché tutti i materiali isolanti e le resine epossidiche che usiamo per mantenere in posizione le bobine diventano fragili e perdono stabilità meccanica. E poiché puntiamo a un aumento di dieci volte della produzione totale di dati, avremo anche un aumento di dieci volte della radiazione depositata in questi elementi di focalizzazione. Occorre renderli più resistenti, e l’unico modo per farlo è inserire elementi di schermatura specifici, che in questo caso saranno assorbitori di tungsteno disposti attorno agli schermi del fascio. Un altro aspetto da migliorare è poi la zona luminosa, ovvero l’area in cui i due fasci si sovrappongono, che al momento, operando con un angolo di incrocio, non si sovrappongono in modo perfetto. Con l’upgrade di LHC introdurremo elementi a radiofrequenza trasversalmente deflettenti, le “crab cavities”, che deflettono il fascio in modo che la sovrapposizione nel rivelatore sia massimizzata, aumentando così la produzione di luminosità. E l’ultimo grande aggiornamento riguarda il sistema attraverso cui assorbiamo l’energia immagazzinata dalla macchina al termine di ciascuna operazione, il “beam dump”, un assorbitore lungo una buona decina di metri. Con HiLumi passeremo dai 500 megajoule per fascio di LHC a oltre 700 megajoule, e dobbiamo essere in grado di scaricare in sicurezza. Il beam dump attuale sarà sostituito da uno nuovo, compatibile con queste intensità più elevate.
Quali innovazioni tecnologiche verranno introdotte con HiLumi LHC? E quali sono state le sfide più difficili durante questi anni di test?
Il “gioiello” del progetto HiLumi è lo sviluppo di magneti quadrupoli a grande apertura, che siano però in grado di mantenere la stessa forza di focalizzazione della macchina attuale. I quadrupoli sono magneti che funzionano come lenti per i fasci di protoni: li comprimono e li mantengono focalizzati prima della collisione. Ma aumentare l’apertura – cioè lo spazio interno attraversato dal fascio – mantenendo la stessa capacità di focalizzazione richiede campi magnetici molto più intensi nelle bobine superconduttive. In LHC raggiungiamo campi di picco di circa 9 tesla, e vogliamo spingerci a circa 12 tesla con HiLumi, con il risultato che la tecnologia dei magneti utilizzata per LHC non sarà più sufficiente. Questa impiega una lega in niobio-titanio come superconduttore, un materiale molto interessante perché flessibile, modellabile e quindi particolarmente adatto alla produzione. Mentre per raggiungere i campi magnetici richiesti dall’upgrade dobbiamo passare a un nuovo superconduttore, che abbiamo individuato nella lega in niobio-stagno (Nb3Sn). La sfida di questa tecnologia è che il materiale è fragile. Non è una ceramica in senso stretto, ma si comporta quasi come tale. È molto rigido e, una volta formato il superconduttore, non si può più piegare o forzare. Se viene sottoposto a troppa tensione meccanica, si rompe, e il superconduttore viene compromesso. Dal punto di vista ingegneristico è molto difficile produrre bobine per un acceleratore con questo materiale, ed è stata una delle nostre principali occupazioni negli ultimi vent’anni. La loro produzione industriale – oggi oltre il 70% – rappresenta un traguardo fondamentale per HiLumi.
Rimanendo sulle sfide, quali sfide tecnologiche porrà HiLumi agli esperimenti?
Con HiLumi vogliamo aumentare la luminosità, e ciò che interessa davvero agli esperimenti è la luminosità integrata, cioè la quantità di dati raccolta in un dato periodo. Questi dati sono generalmente molto complessi. Quando si fa collidere un protone con un protone, infatti, non si tratta di particelle individuali, essendo ogni protone composto da quark e gluoni. C’è una notevole incertezza su cosa si sia effettivamente scontrato e a quale energia: i rivelatori devono essere in grado di identificare sia il sistema di collisione sia le particelle prodotte. Per farlo senza ambiguità, gli esperimenti vorrebbero avere la minore molteplicità di particelle possibile, idealmente un singolo evento per ogni incrocio dei fasci. Allo stesso tempo, però, abbiamo bisogno del maggior numero di dati possibili, e con LHC abbiamo già aumentato di molto il numero di eventi, intorno ai 60 per incrocio dei fasci, e con HiLumi dovremmo arrivare a 170-200 eventi per incrocio. Si ottiene davvero una moltitudine di eventi, e dare un senso ai dati rappresenta una sfida enorme per i rivelatori. I principali aggiornamenti ruoteranno quindi attorno a quello che chiamiamo il tracker centrale, che verrà sostituito con nuovi tracker al silicio: chip collocati il più vicino possibile al tubo del fascio, così da avere una migliore granularità e vedere con maggiore precisione ciò che esce dal punto di collisione. Naturalmente, nelle fasi iniziali di HiLumi lavoreremo con tassi di eventi inferiori, simili a quelli di LHC, e poi aumenteremo gradualmente. Per farlo, la macchina deve funzionare come un orologio, senza interruzioni né tempi morti; deve essere estremamente affidabile. Abbiamo costruito a tale scopo nuove aree sotterranee in cui tutti i componenti attivi (i convertitori di potenza, gli alimentatori dei riscaldatori di spegnimento, i sistemi di protezione dei magneti) saranno installati in gallerie accessibili durante il funzionamento, dove saranno ben separati dal fascio per ridurre al minimo il rischio di guasti ai componenti elettronici causati dalle radiazioni emesse dal fascio nell’acceleratore. In caso di malfunzionamento, tecnici e ingegneri potranno intervenire mentre la macchina è ancora in funzione. Questo aiuterà enormemente ad aumentare la disponibilità e l’efficienza di HiLumi.
Tornando ai nuovi materiali per i magneti superconduttivi: le competenze necessarie esistevano già nell’industria europea o avete dovuto svilupparle insieme alle aziende?
La tecnologia dei magneti superconduttivi non esisteva per l’applicazione che stavamo cercando di realizzare. Abbiamo dovuto svilupparla insieme all’industria, con uno sforzo che risale a prima del 2000, quando abbiamo incominciato a lavorare sul conduttore. Dal 2000 abbiamo poi avviato un programma con i colleghi statunitensi per poter effettivamente costruire dei magneti con questo conduttore in niobio-stagno. E ancora oggi, nonostante il filo superconduttore arrivi dall’industria, la produzione dei cavi e delle bobine viene effettuata in laboratorio. Abbiamo collaborato con l’industria alla produzione di bobine in niobio-stagno per il nostro programma di magneti dipolari da 11 tesla. Questo trasferimento all’industria è ancora in corso, ma ora riguarda principalmente le applicazioni legate alla fusione.
Quanto è importante oggi il CERN come piattaforma di innovazione per l’industria europea?
È molto importante, perché produciamo tecnologie che altrimenti non verrebbero implementate dall’industria. Chiaramente si tratta di prodotti che non possono essere venduti direttamente “a scaffale” ad altri clienti, ma che danno modo alle industrie di sviluppare tecniche e processi produttivi per realizzare “l’impensabile” in futuro. Prendiamo ad esempio le già menzionate “crab cavities”, sistemi a radiofrequenza trasversalmente deflettenti. A differenza della maggior parte delle strutture a radiofrequenza prodotte industrialmente con processi consolidati, non sono semplici cavità cilindriche o ellittiche, ma strutture molto compatte e complesse, prive di una simmetria semplice, che devono essere saldate insieme a partire da molti pezzi. Abbiamo lavorato molto a stretto contatto con le industrie europee per sviluppare nuove tecnologie di fabbricazione per i risonatori superconduttivi; è stato un processo di apprendimento articolato, che permetterà loro, in seguito, di produrre strutture di questo tipo in ambito industriale. L’altro esempio che vorrei portare sono i “superconducting links”, i collegamenti superconduttivi. Ho già fatto riferimento alle nuove aree sotterranee dove le apparecchiature attive saranno separate dalla macchina per facilitare l’accessibilità; questo implica che dovremo coprire distanze di circa 100 metri tra i convertitori di potenza e i magneti, e trasportare la corrente che alimenta i magneti – decine di migliaia di ampere per ciascuno – per quella distanza. Complessivamente, si tratterà di centinaia di migliaia di ampere, una quantità di corrente che in passato potevamo trasportare solo tramite enormi cavi raffreddati ad acqua, dotati di sistemi per la dissipazione del calore come le torri di raffreddamento. Perciò abbiamo sviluppato i collegamenti superconduttivi: collegamenti sottilissimi, essi stessi superconduttivi, capaci di trasportare centinaia di migliaia di ampere senza alcuna resistenza lungo i 100 metri di percorso. È uno sviluppo davvero straordinario, che prima non esisteva. E lo stesso materiale superconduttivo, il diboruro di magnesio, non esisteva sul mercato. Questo cavo conduttore è stato sviluppato in collaborazione con l’azienda italiana ASG Superconductors e la produzione dei cavi è stata affidata a ICAS. Questa tecnologia troverà sicuramente applicazione nell’industria, per esempio negli stabilimenti di lavorazione dell’alluminio o dell’acciaio, ma anche in tutti quei settori in cui occorre trasportare grandi quantità di corrente elettrica su lunghe distanze senza ricorrere a pesanti cavi di rame.
Parlando di applicazioni, secondo lei quale settore è destinato a crescere di più nei prossimi anni?
Abbiamo parlato del superconduttore al niobio-stagno, che definirei ancora un superconduttore “classico”, perché deve essere raffreddato a temperature estremamente basse per diventare superconduttivo, tra i 2 e i 4 Kelvin. Richiede sistemi criogenici enormi e un alto consumo energetico (basti pensare che gran parte del consumo energetico di LHC è legato proprio agli impianti criogenici che mantengono freddi i magneti). Vedo pertanto il maggiore potenziale di crescita nei superconduttori ad alta temperatura: materiali capaci di diventare superconduttivi a temperature molto più elevate. Il Sacro Graal sarebbe un superconduttore funzionante a 70-80 Kelvin, che permetterebbe di utilizzare l’azoto liquido invece dell’elio come refrigerante. Ma anche un superconduttore che non richieda 2 Kelvin bensì 10-15 Kelvin permetterebbe di risparmiare una quantità enorme di energia. Credo sia questa la grande rivoluzione che ci aspetta, e mi aspetto, nei prossimi 5 o 10 anni, un suo drastico sviluppo.
Il 22 di maggio è stata ufficialmente aggiornata la Strategia Europea per la Fisica delle Particelle, che definisce il futuro degli acceleratori in Europa. Perché FCC viene considerato l’opzione più promettente e quali frontiere scientifiche potrebbe permetterci di esplorare?
FCC è il progetto più interessante perché ci permetterebbe di indagare tutti i canali di produzione delle particelle con la massima precisione possibile, aprendo una moltitudine di “finestre” per cercare nuova fisica oltre il Modello Standard. In particolare, potremmo studiare in gran dettaglio il bosone di Higgs, scoperto nel 2012 a LHC come particella che genera la massa di tutte le particelle del Modello Standard, e che potrebbe aiutarci a risolvere altre questioni ancora aperte. Per esempio, che cosa sono energia e materia oscura? Non lo sappiamo, ma credo che dovremmo affrontare queste questioni da molteplici prospettive: l’astrofisica, le onde gravitazionali, i neutrini, e le misure di precisione delle interazioni del Modello Standard, incluso il bosone di Higgs. Abbiamo detto che è il bosone di Higgs a generare massa, e la materia oscura deve essere composta di particelle massive che potrebbero pertanto interagire con l’Higgs. FCC potrebbe darci delle risposte, delle indicazioni su dove il Modello Standard sia incompleto e su quali sue estensioni potrebbero includere la materia oscura.
Quanto è difficile oggi costruire una macchina pensata per la fisica del 2040 (FCC-ee) e poi del 2070 (FCC-hh)?
Se chiedesse a un ingegnere o a un fisico di FCC-ee, risponderebbero che non è così difficile, perché tutte le tecnologie esistono già. Sappiamo come costruire FCC-ee. La vera sfida sta nell’ottenere il sostegno dei governi e della società a impegnarsi in un progetto del genere, molto grande per costo e dimensioni. Capire di cosa sia fatto l’universo intorno a noi, che cosa sia la materia oscura, è una domanda davvero fondamentale, e se questo progetto può rappresentare lo strumento principe per affrontarla, credo che esista una motivazione molto forte, ma è importante riuscire a veicolarla. La sfida per l’FCC-hh è ancora più impegnativa, poiché la tecnologia attuale dei magneti superconduttori comporta costi molto elevati. Una svolta nella tecnologia dei magneti superconduttori, volta a ridurre drasticamente il costo dei magneti o ad aumentare in modo significativo i campi magnetici raggiungibili, rappresenta ancora un obiettivo di ricerca e sviluppo difficile da raggiungere, ma che attualmente si sta perseguendo.
Su quale area della ricerca e sviluppo negli acceleratori punterebbe?
Credo che i superconduttori ad alta temperatura abbiano il potenziale per rivoluzionare davvero il nostro settore. È un’area nella quale possiamo ottenere risultati straordinari, anche per le applicazioni nella società, e nella medicina. Prima della costruzione di LHC, il niobio-titanio era il superconduttore con il maggiore potenziale, e quando negli anni Novanta abbiamo iniziato a lavorare con l’industria sullo sviluppo della lega, eravamo praticamente gli unici clienti. Poi, dalla metà degli anni 2000, il mercato è cambiato radicalmente e le principali applicazioni delle tecnologie al niobio-titanio sono diventate quelle mediche (la risonanza magnetica nucleare, la diagnostica in generale…), fino a rappresentare la maggior parte del mercato. Si tratta quindi di una tecnologia sviluppata grazie alla ricerca sugli acceleratori, insieme all’industria, portata poi sul mercato dall’industria stessa. Le applicazioni mediche sono davvero il principale sbocco oggi. E in campo medico esistono molte altre applicazioni della tecnologia degli acceleratori: per esempio l’adroterapia, dove utilizziamo adroni per la radioterapia perché sono più efficaci nel proteggere il resto del corpo e colpire solo il tumore. Il grande problema dell’adroterapia è che le macchine sono molto grandi e l’investimento richiesto agli ospedali è enorme. I superconduttori ad alta temperatura possono dare un contributo in questo senso, avendo il potenziale per rendere tutto molto più compatto, e, di conseguenza, molto più diffuso e accessibile economicamente.
Se potesse avere accesso a una tecnologia impossibile, quale rivoluzione introdurrebbe immediatamente nel campo degli acceleratori?
Mi ripeto, ma vorrei davvero avere un magnete ad alta temperatura capace di superare i 20 tesla. Ci permetterebbe di più che raddoppiare il campo magnetico di LHC, con una tecnologia che consuma molta meno energia durante il funzionamento dell’acceleratore. Aprirebbe persino alla possibilità di avere un collisore adronico a energia più elevata nell’attuale tunnel del CERN, il tunnel di LHC, senza bisogno di grandi opere di ingegneria civile. Sarebbe fantastico, mi piacerebbe moltissimo.
Quale scoperta spera di vedere realizzata grazie alla prossima generazione di acceleratori?
Con HiLumi penso che riusciremo ad accedere all’auto-accoppiamento dell’Higgs. Tra le molte domande senza risposta, c’è anche quella relativa all’esistenza di un solo Higgs oppure più Higgs molto vicini in energia, e al modo in cui l’Higgs interagisce con sé stesso. È una domanda molto interessante, perché è proprio questa particella a generare la massa, e HiLumi sarà la prima macchina in grado di tentare di ottenere questo tipo di dati. Poi, con FCC, avremo ulteriori informazioni grazie a misure ad altissima precisione, che ci permetteranno non solo di capire dove il Modello Standard richieda estensioni, ma anche di progettare la successiva grande macchina rivoluzionaria.
BIO
Oliver Brüning è il Direttore del Dipartimento Acceleratori e Tecnologia del CERN dal gennaio 2026. Dopo il lavoro al DESY sulla stabilità del fascio di protoni di HERA, è arrivato al CERN nel 1995, e dal 1997 ha contribuito all’ottica di LHC, alla sua messa in servizio e ai suoi aggiornamenti. Dal 2008 ha ricoperto il ruolo di responsabile dello studio LHeC e ha assunto diversi incarichi di leadership nella fisica dei fasci. Dal 2015 al 2019 ha guidato lo studio sul pieno sfruttamento energetico dell’LHC e, dal 2020 al 2025, ha diretto il progetto di upgrade dell’High-Luminosity LHC. Ha fatto parte di diversi comitati internazionali, ed è stato presidente del DESY Machine Advisory Committee (2017–2020) e dell’EPS Accelerator Group (2008–2011).
