Dalle trivelle alla materia oscura

Al CERN di Ginevra, uno dei centri più avanzati per la ricerca nella fisica sub-nucleare, si lavora alla realizzazione di un acceleratore di particelle ancora più potente. Per indagare e scoprire i segreti dell’estremamente piccolo occorre però avvalersi di attrezzature e sistemi giganteschi.

Tra Francia e Svizzera, a pochi chilometri dal Lemano, un tunnel circolare lungo 27 km ospita l’acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider), è lui a fornire le condizioni che rendono possibili i principali esperimenti degli scienziati del CERN.

Gli anni sono passati anche per lui e bisognava intervenire per la manutenzione. Ecco, dunque, l’occasione per cercare di creare un acceleratore più potente, in grado di spingere la ricerca verso nuove frontiere, di ampliare lo spettro delle possibili rilevazioni di scontri tra particelle. Per avere nuovi elementi da analizzare. Per rispondere alle domande sulla materia oscura o l’antimateria.

Il caro vecchio HLC è quasi pronto per iniziare una seconda vita e a diventare HiLumi.Per ospitare le nuove parti di questo gioiello tecnologico è però necessario garantire un’infrastruttura che lo protegga e lo colleghi al mondo di sopra. Ed è qui che entra in campo l’esperienza “made in Swiss” di Pini Group. Ma partiamo dall’inizio, cos’è il progetto HiLumi?

Colonna sonora

Il progetto HiLumi

Un acceleratore di particelle è sostanzialmente una grande torcia puntata sul mondo sub-atomico, in particolare quello delle particelle elementari, i mattoncini dell’universo. Serve a comprendere come sono e come si comportano, per validare o meno le nostre teorie su come è fatto il mondo.

L’acceleratore LHC del Cern ha fatto questo lavoro egregiamente, portando, fra l’altro, alla rilevazione del bosone di Higgs. Ora, il progetto HiLumi LHC (High Luminosity LHC) vuole potenziare 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 per unità di superficie in un dato intervallo di tempo. Ciò consente di aumentare la probabilità di possibili scoperte.

Mentre LHC è in grado di produrre fino a 1 miliardo di collisioni protone-protone al secondo, HiLumi LHC sarà in grado di aumentare ulteriormente questo numero. Si ipotizza 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. Si lavorerà per aumentare la potenza dell’acceleratore, ma anche dei rivelatori. Complessivamente, più di 1,2 km della macchina attuale sono sostituiti con nuovi componenti ad alta tecnologia, come magneti, collimatori e cavità a radiofrequenza. Si installeranno circa 150 nuovi magneti e 16 crab cavity, cioè “cavità a granchio”. La loro funzione è quella di inclinare i pacchetti di protoni in modo che si muovano lateralmente, proprio come un granchio. Inoltre, si svolgeranno anche importanti lavori di ingegneria civile, con la costruzione di nuovi edifici, pozzi, caverne e gallerie sotterranee, principalmente in due località, in Svizzera in corrispondenza del rivelatore CMS (Compact Muon Solenoid) e in Francia al rivelatore Atlas (A Toroidal LHC ApparatuS). Il super-acceleratore dovrebbe tornare a indagare i segreti dell’universo verso il 2026-2027.

Pozzi e gallerie

Qui entra in campo l’esperienza del Gruppo Pini nelle infrastrutture sotterranee. Ne parliamo con l’ingegner Marco Ruggiero.

Ingegnere, qual è la parte di progetto che state realizzando al CERN?

“Il nostro cantiere è a Cessy in territorio francese, a circa una decina di chilometri da Ginevra. L’acceleratore è ubicato in un tunnel circolare lungo 27 km ed è per un terzo in territorio svizzero e per due terzi in quello francese. Lavoriamo in un’area di campagna, dove sono presenti delle adiacenze industriali del CERN. Oltre alla sede principale ogni 3 km circa lungo il perimetro del tunnel vi sono pozzi di accesso contornati da edifici industriali”.

Cosa dovete realizzare?

“Si tratta di un progetto di ampliamento dell’acceleratore al punto 5. Comporta la realizzazione di un pozzo di accesso alto 80 metri e di oltre 10 metri di diametro, una caverna di servizio, un corridoio di trasformazione di oltre 300 metri di lunghezza, varie gallerie di collegamento, uscite di emergenza e le strutture di accesso all’infrastruttura. All’interno saranno poi posizionate le attrezzature del CERN”.

A che punto siete?

“La parte in calcestruzzo è stata completata, ora dobbiamo installare dei moduli prefabbricati e fare opere di carpenteria metallica. Contiamo di finire i lavori in sotterraneo a gennaio 2022. Il cantiere è iniziato nel 2018 e nelle fasi di punta ha impiegato complessivamente un centinaio di persone”.

Quali sono le difficoltà nel realizzare una simile opera?

“Fondamentalmente si tratta di dover lavorare nelle vicinanze di una struttura già esistente e tecnologicamente avanzata, per cui occorre prestare massima attenzione affinché le vibrazioni prodotte dagli scavi non rechino danni alle apparecchiature dell’LHC.”

Un committente di livello internazionale e ai massimi livelli di ricerca è particolarmente esigente?

“Il cliente ha richiesto che il progetto venisse gestito utilizzando il BIM (Building Information Modeling). Il nostro responsabile BIM ha costantemente collaborato con gli sviluppatori di Autodesk Revit per ottimizzare strumenti specifici per la costruzione sotterranea. Diciamo che c’è stato un continuo dialogo, con un’elevata richiesta di precisione”.

È curioso che per analizzare l’infinitesimamente piccolo occorra costruire strutture ciclopiche.

“La destinazione della nostra opera è senz’altro affascinante. Ma personalmente sono interessato soprattutto alle grandi opere, alla gestione di grandi cantieri. Anche per questo sono passato dalle costruzioni per l’idroelettrico alle infrastrutture sotterranee. Perché oggi sono queste ultime che vedono le sfide maggiori, i progetti più importanti dal punto di vista ingegneristico. Con Pini, per esempio, siamo impegnati nel traforo del Brennero e nell’alta velocità Torino-Lione. Grandi opere di collegamento e complessi interventi sotterranei”.

Oltre il bosone

L’acceleratore LHC del CERN è diventato celebre nella cultura di massa poiché ha portato nel 2012 a rilevare per la prima volta il bosone di Higgs (impropriamente definita la “particella di Dio”). Quest’ultimo fu teorizzato nel 1964 è ha un ruolo fondamentale nel Modello standard della fisica poiché conferisce la massa alle particelle elementari. 

Dopo la dimostrazione dell’esistenza del bosone di Higgs, ora i fisici di tutto il mondo si propongono di utilizzare LHC (nella versione HiLumi) per avere risposte a varie questioni che reputano fondamentali.

Secondo Wikipedia le domande che vorrebbero risposte sono

• Qual è l’origine della massa dei barioni? Generando plasma di quark e gluoni si verificherà l’origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell’universo?
• Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs?
• Secondo alcune evidenze il 95% della massa-energia dell’universo ha una natura diversa da quella conosciuta. Di che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e l’energia oscura?
• Esistono le particelle supersimmetriche?
• Esistono altre dimensioni oltre alle tre spaziali e quella temporale, come previste da vari modelli di teoria delle stringhe?
• Quali sono le caratteristiche che possono spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi assenza di antimateria nell’universo?
• Che cosa si può conoscere, con maggiore dettaglio, di oggetti già noti, come il quark top?