Riassunto:
Il CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, sta sviluppando una nuova generazione di magneti superconduttori per il prossimo ciclo di aggiornamenti del Large Hadron Collider (LHC). Questi magneti, che utilizzano nuovi materiali e processi di produzione, hanno raggiunto nei test un'intensità del campo magnetico di 11,3 Tesla e diventeranno una parte importante del futuro Large Hadron Collider ad alta luminosità.
Il Large Hadron Collider utilizza campi magnetici estremamente potenti per controllare i fasci di particelle, consentendo alle particelle di viaggiare e scontrarsi a velocità prossime a quella della luce, aiutando così gli scienziati a studiare la composizione di base della materia. Attualmente, l’LHC può condurre circa 40 milioni di collisioni al secondo in un singolo esperimento, con un numero di particelle coinvolte in ciascuna collisione di circa 60. Aumentando continuamente la frequenza delle collisioni e il numero di particelle, gli scienziati possono cercare in modo più efficace particelle rare e fenomeni fisici precedentemente non osservati.
La fase successiva del progetto di aggiornamento che il CERN sta portando avanti si chiama High-Luminosity Large Hadron Collider (High-Luminosity LHC), che dovrebbe lanciare un nuovo ciclo di esperimenti dopo il 2030. L'obiettivo dopo l'aggiornamento è aumentare il numero di particelle coinvolte in ciascuna collisione da 140 a 200, mantenendo una frequenza di collisione di circa 40 milioni di volte al secondo. La cosiddetta "alta luminosità" si riferisce al fatto che possono verificarsi più collisioni di particelle nell'unità di tempo, aumentando così la possibilità di scoprire fenomeni fisici rari.
Per raggiungere questo obiettivo, il collisore avrà bisogno di magneti compatti e affidabili con campi magnetici più forti. I tradizionali magneti dipolari dell'LHC utilizzano bobine superconduttrici di niobio titanio (NbTi) e l'intensità del campo magnetico può raggiungere 8,3 Tesla, ovvero circa 166.000 volte l'intensità del campo magnetico terrestre. Tuttavia, le prestazioni del materiale niobio-titanio sono vicine al limite superiore dell’intensità del campo magnetico che può raggiungere, quindi una nuova generazione di magneti quadrupolari ha iniziato a utilizzare materiali superconduttori niobio-stagno (Nb₃Sn), con un’intensità del campo magnetico target vicina a 12 Tesla.
Una delle principali difficoltà incontrate da questo aggiornamento tecnologico è che i materiali niobio-stagno hanno proprietà meccaniche completamente diverse dai tradizionali materiali niobio-titanio. Il niobio-titanio ha una buona duttilità e può essere piegato e avvolto dopo aver formato un materiale superconduttore; il niobio-stagno è molto fragile e non può sopportare il grande stress meccanico generato durante il processo di avvolgimento della bobina una volta formata la fase superconduttiva.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno adottato un processo di produzione chiamato "Wind-and-React". Per dirla semplicemente, il materiale che non ha ancora formato la fase superconduttiva finale viene avvolto in una bobina, quindi attraverso un trattamento termico ad alta temperatura, niobio e stagno reagiscono e infine si forma il materiale superconduttore niobio-stagno.
Durante il processo di produzione specifico, il team di ricerca ha prima utilizzato un cavo superconduttore lungo 760 metri e lo ha avvolto attorno al telaio centrale per formare un insieme di bobine con una lunghezza di circa 7,2 metri e aperture di 150 millimetri. Le bobine vengono quindi poste in un ambiente di gas inerte per un trattamento termico rigorosamente controllato.
Il processo di trattamento termico dura diversi giorni e la temperatura aumenta in sequenza, rimanendo a circa 210 gradi Celsius e 400 gradi Celsius per un periodo di tempo, per raggiungere infine circa 650 gradi Celsius. Dopo questo processo, il niobio e lo stagno nel cavo reagiscono chimicamente per formare un composto niobio-stagno con proprietà superconduttrici.
Poiché il materiale di stagno-niobio è molto fragile dopo la formazione, è necessario prestare la massima attenzione durante la successiva manipolazione della bobina. Qualsiasi flessione eccessiva o deformazione meccanica può danneggiare il materiale superconduttore e influire sulle prestazioni elettriche e sull'affidabilità strutturale del magnete.
Dopo aver completato il trattamento termico, i ricercatori utilizzano anche resina epossidica liquida per trattare la bobina, consentendo alla resina di riempire i vuoti interni, le crepe e gli spazi vuoti, per poi solidificarsi in una struttura polimerica dura per migliorare la stabilità meccanica della bobina.
Questo progetto di produzione è guidato da un team di circa 60 persone guidate dall'ingegnere dei magneti del CERN Susana Izquierdo Bermúdez. È coinvolta nella ricerca e nello sviluppo di nuovi magneti dal 2012 e il suo lavoro comprende test sugli avvolgimenti delle bobine, progettazione elettromagnetica, progettazione meccanica, produzione e verifica delle prestazioni.
Secondo i risultati della ricerca pubblicati dal gruppo di ricerca in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, hanno prodotto più di 120 bobine per magneti lunghi 4,5 metri e più di 70 bobine per magneti lunghi 7,2 metri per il progetto di aggiornamento dell'LHC. Ogni magnete quadrupolare richiede quattro bobine.
L'intero progetto ha portato alla produzione di 250 bobine, di cui 25 non hanno soddisfatto i requisiti di qualità a causa di errori umani e difetti di prestazioni elettriche o meccaniche durante il processo di produzione. I ricercatori hanno sottolineato che questo tipo di magnete superconduttore richiede una precisione di fabbricazione estremamente elevata e anche difetti molto piccoli possono rendere inutilizzabile l'intera bobina. C'era una bobina che doveva essere rottamata perché si sospettava che tra l'avvolgimento e il componente di protezione fosse rimasta intrappolata una particella metallica che avrebbe potuto comprometterne il funzionamento.
Nel settembre di quest'anno, il team ha completato i test di controllo qualità del magnete lungo 7,2 metri e ha confermato che la sua intensità di picco del campo magnetico raggiungeva 11,3 Tesla. I magneti stanno attualmente funzionando bene e i ricercatori hanno iniziato a continuare a produrre bobine e magneti di ricambio per soddisfare le esigenze dei futuri progetti di aggiornamento dell’LHC.
Questo risultato non è semplicemente il perseguimento di valori di campo magnetico più elevati, ma significa che il CERN ha fatto avanzare i materiali superconduttori di niobio-stagno dalla ricerca e sviluppo di laboratorio alla fase di produzione ingegneristica su larga scala e con rigoroso controllo di qualità. Per il Large Hadron Collider ad alta luminosità, un campo magnetico più forte aiuterà i ricercatori a controllare i fasci di particelle in modo più efficace, consentendo al collisore di raggiungere capacità di collisione di particelle più elevate all'interno di un dato spazio, fornendo un'infrastruttura chiave per gli esperimenti di fisica delle particelle dopo il 2030.
Questa ricerca è stata pubblicata in "IEEE Transactions on Superconducting Applications" il 24 settembre 2026. IEEE Spectrum ha aggiornato il rapporto il 10 novembre, correggendo il numero di collisioni di particelle in ciascun esperimento.
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