CHART lavora sugli acceleratori di particelle del futuro

Il design del Super magnete

FCC - queste tre lettere rappresentano la visione di un nuovo acceleratore circolare che potrebbe essere costruito presso il laboratorio europeo di fisica delle particelle CERN a Ginevra. Con questo obiettivo a lungo termine, cinque anni fa i fisici svizzeri hanno fondato l'iniziativa di ricerca CHART. Ora è disponibile il dimostratore di un potente magnete. Se i test hanno esito positivo, verrà raggiunto un primissimo passo verso progressi decisivi nelle infrastrutture per la ricerca di base, ma anche in applicazioni come, ad esempio, strumentazione innovativa per terapie mediche.

CHART logo
Immagine: CHART, Switzerland

Quando si sente la parola "Tesla", la prima cosa che potresti pensare oggi è un produttore americano di auto elettriche. Elon Musk acquisì il nome dell'ingegnere elettrotecnico e inventore Nicola Tesla (1856-1943) per la sua impresa commerciale. Ma il fascino del nome risale molto più indietro. Tesla è dal 1960 l'unità ufficiale di misura per la densità del flusso magnetico. Il campo magnetico terrestre è solo una piccola frazione di un Tesla (circa 50 micro Tesla), un magnete a ferro di cavallo è circa un decimo di un Tesla. In medicina, vengono utilizzati tomografi con un'intensità di campo di circa una Tesla. I magneti che mantengono i protoni sulle loro orbite nell'acceleratore circolare LHC al CERN generano fino a 8.4 Tesla, che corrisponde a un potente campo magnetico.

Futuro del CERN

Costruire magneti di questa forza richiede prestazioni tecniche elevate. Se in futuro i magneti diventeranno ancora più potenti, ciò potrà essere raggiunto solo attraverso uno sforzo combinato di scienza e ingegneria; è necessaria la collaborazione delle migliori menti. Probabilmente non è esagerato affermare che lo sviluppo di magneti ancora più potenti deciderà il futuro del CERN. Un enorme acceleratore circolare con una circonferenza di 100 km è nei possibili programmi del CERN sotto il nome di "Future Circular Collider" (FCC). Dal 2040, questo potrebbe sostituire l'attuale acceleratore circolare LHC con la sua circonferenza di 27 km e assicurerà il futuro della struttura di fisica delle particelle leader a livello mondiale. "Il nome CERN è un marchio come Coca Cola. Se il centro di ricerca, che è così immensamente importante per la Svizzera, è di continuare la sua esistenza nel sito attuale, la costruzione di un nuovo acceleratore è vitale. Una possibile soluzione tecnica è la costruzione di un grande acceleratore ad anello. Perché un acceleratore di questo tipo funzioni, dobbiamo sviluppare una nuova generazione di magneti superconduttori estremamente potenti ", afferma Hans Rudolf Ott, professore emerito dell'ETH ed esperto di superconduttività. Ott è Presidente del Consiglio CHART, che sta strategicamente guidando l'iniziativa di ricerca con lo stesso nome.

CHART è l'acronimo di "Swiss Accelerator Research & Technology". Dal 2015 l'iniziativa riunisce le forze trainanti nella ricerca e nello sviluppo dell'acceleratore svizzero. Sotto gli auspici del Segretariato di Stato per l'educazione, la ricerca e l'innovazione (SERI) e il Consiglio del dominio ETH (ETH Rat), il secondo periodo di finanziamento va dal 2019 al 2023. La collaborazione CHART comprende ricercatori dei due istituti federali di tecnologia a Zurigo e Losanna, all'Università di Ginevra e, ovviamente, al CERN. L'impegno finanziario totale di tutti questi partner ammonta a 40 milioni di franchi. L'istituto di provenienza è l'Istituto Paul Scherrer (PSI), il più grande istituto di ricerca in Svizzera appartenente al dominio ETH. L'obiettivo principale di CHART è la ricerca e lo sviluppo di acceleratori basati su potenti magneti per la ricerca di base in Fisica, Biologia, Chimica e per questioni interdisciplinari, nonché per l'applicazione in cristallografia e medicina.

La speranza riposa sul composto Nb3Sn

Il materiale ha un ruolo centrale nella costruzione di potenti magneti. I conduttori che trasportano corrente dei 1200 magneti, ciascuno lungo 15 m, che mantengono i protoni sul loro percorso circolare nell'attuale acceleratore di particelle CERN LHC, sono realizzati in lega di niobio-titanio (NbTi). I magneti funzionano a 1,9 Kelvin. A questa temperatura - appena sopra lo zero assoluto - la corrente elettrica scorre praticamente senza resistenza (superconduttività), consentendo grandi correnti e di conseguenza generando un forte campo magnetico. Il mezzo di raffreddamento è l'isotopo liquido di elio 4He, che si trova in uno stato superfluido a questa temperatura e in questo modo garantisce una maggiore stabilità del conduttore che trasporta corrente.

Gli scienziati stanno discutendo di un composto metallico diverso, ancora più potente, per i super magneti del futuro. "Per i futuri magneti, ci affidiamo al composto Nb3Sn a base di niobio; questo composto è attualmente considerato il materiale chiave per la costruzione di magneti particolarmente robusti ma anche molto compatti", afferma Leonid Rivkin, vicedirettore di PSI e principale persona responsabile dell'attuazione operativa dell'iniziativa CHART. Il punto cruciale: Nb3Sn è un materiale molto fragile che è estremamente esigente da elaborare per l'applicazione prevista.

Il design CCT minimizza i rischi

Forti forze agiscono sul conduttore che trasportano corrente in un forte magnete. Per domare queste forze, gli scienziati dell'iniziativa CHART hanno sviluppato il design Canted Cosine Theta (CCT). L'idea principale di questo design è quella di inserire il cavo superconduttore nelle scanalature di un cilindro, riducendo le forze esercitate sugli avvolgimenti, minimizzando così i rischi di perdita locale di superconduttività nel conduttore (le cosiddette tempeste).

Sulla carta, questo design consente la costruzione di un magnete con intensità di campo di 16 Tesla. Per scoprire se questo ha successo nella pratica, gli scienziati del PSI hanno costruito un dimostratore lungo 1 m come parte dell'iniziativa CHART, che lavora a temperature comprese tra 2 e 4 Kelvin. La costruzione del dimostratore è stata completata alla fine di ottobre 2019, quindi è stata spostata in California all'inizio di quest'anno. A Berkeley è attualmente in fase di test per le sue prestazioni presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL).

Prototipo fino al 2023

Il design CCT è uno dei quattro tipi di costruzione (vedi illustrazione 02) che sono attualmente in discussione nella comunità scientifica per magneti di altissima qualità e studiati in vari istituti in tutto il mondo. Quello che alla fine si rivelerà il più appropriato è attualmente ancora aperto. Per il magnete superconduttore nel design CCT, l'anno 2023 è il prossimo traguardo: fino ad allora, il prototipo di un magnete a dipolo lungo diversi metri deve essere costruito nell'ambito di CHART. Quindi dovrebbe essere chiaro quale dei concetti attualmente perseguiti è più adatto per la costruzione di un magnete da 16 Tesla, in quanto deve essere utilizzato nel FCC a lungo termine.

Secondo la pianificazione attuale, i 16 magneti Tesla saranno necessari solo nella seconda fase operativa della FCC, che potrebbe iniziare nel 2061. Mentre nella prima fase operativa della FCC, elettroni e positroni saranno le particelle da accelerare, in questo seconda fase operativa, i protoni molto più pesanti devono essere tenuti in pista sulla loro orbita circolare per la quale sono richiesti i 16 potenti magneti Tesla. Sebbene l'uso di questi magneti possa iniziare tra circa 40 anni, è essenziale che il loro sviluppo sia in corso già oggi. "La ricerca, lo sviluppo e la successiva industrializzazione dei magneti è un lungo processo che richiederà circa 20 anni in totale. La loro successiva installazione nel tunnel dell'acceleratore preparato sarà di nuovo un processo che richiede tempo e quindi dobbiamo affrontare questo compito oggi in modo che il alla fine i magneti sono pronti per gli attuali periodi di ricerca ", sottolinea Leonid Rivkin, presidente del comitato esecutivo della CHART.

Ampio campo di applicazione

La ricerca sui magneti e i loro componenti superconduttori è fondamentale per il CERN ma, come detto sopra, è importante anche per la ricerca di base in fisica, chimica, biologia e scienze dei materiali, nonché in applicazioni mediche e industriali. Ad esempio, sono necessari potenti magneti per generare luce di sincrotrone di elettroni (ad es. Presso la Swiss Light Source / SLS) o i cosiddetti laser a elettroni liberi (ad es. SwissFEL), che sono di grande importanza negli studi e nella caratterizzazione di una varietà di materiali in diverse forme e ricerca farmaceutica. Tali magneti sono anche necessari per la fornitura di neutroni (ad esempio alla sorgente di neutroni di spallazione SINQ al PSI), che vengono nuovamente utilizzati per la caratterizzazione di un'ampia varietà di materiali diversi. I magneti costituiscono anche la base per metodi moderni per la diagnosi e la terapia dei tumori.

Ridurre le dimensioni dei magneti richiesti crea i prerequisiti per la costruzione di dispositivi medici compatti che possono essere utilizzati direttamente negli ospedali. Le speranze qui poggiano su superconduttori ad alta temperatura, che sono anche allo studio nell'ambito di CHART. Questo si riferisce a materiali in cui lo stato di superconduttività si instaura a temperature relativamente elevate di 100 Kelvin e oltre. "La ricerca CHART apre un promettente campo tecnologico che promuove l'eccellenza scientifica e tecnica in Svizzera", afferma Hans Rudolf Ott. "Con il nostro progetto, ci rivolgiamo in particolare alla generazione di giovani accademici e professionisti. CHART apre una vasta gamma di carriere professionali nella ricerca e nell'industria per loro e quindi fornisce un contributo essenziale a una società scientificamente e tecnicamente istruita in Svizzera".

Autore: Benedikt Vogel

  • Gli scienziati del Paul Scherrer Institute con il dimostratore del magnete superconduttore, che è stato costruito nell'ambito di CHART. All'estrema destra nella foto: Bernhard Auchmann, che ha guidato il gruppo di ricerca.
  • Today, four designs of superconducting magnets are under discussion in research that could be used in a future circular accelerator at CERN. The illustrations show each a section through the accelerator ring: the magnets are arranged around the two tubes in which the protons orbit (clockwise in one tube, counterclockwise in the other). PSI is working on the Canted Cosine Theta design.
  • Gli scienziati del Paul Scherrer Institute con il dimostratore del magnete superconduttore, che è stato costruito nell'ambito di CHART. All'estrema destra nella foto: Bernhard Auchmann, che ha guidato il gruppo di ricerca.Immagine: CHART, Switzerland1/2
  • Today, four designs of superconducting magnets are under discussion in research that could be used in a future circular accelerator at CERN. The illustrations show each a section through the accelerator ring: the magnets are arranged around the two tubes in which the protons orbit (clockwise in one tube, counterclockwise in the other). PSI is working on the Canted Cosine Theta design.Immagine: B. Auchmann, Switzerland2/2

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  • Fisica delle Particelle Elementari