Lhc è il più enorme e complesso macchinario sperimentale mai costruito. Un investimento da oltre cinque miliardi e mezzo di euro che, di certo, ha già dato buoni frutti: è nel suo tunnel da 27 chilometri infatti che nel 2012 è stata confermata l’esistenza del bosone di Higgs, la famosa “particella di Dio” che ha confermato la solidità del Modello Standard e permette di spiegare l’origine della massa delle particelle. Dopo 18 anni di esperimenti, oggi il più grande acceleratore di particelle del mondo fatica ormai a produrre nuove scoperte. Ma non è ancora tempo di andare in pensione. Anzi: a breve inizieranno i lavori per un upgrade che ne aumenterà di 10 volte la luminosità, moltiplicando in modo esponenziale il numero di dati raccolti, per studiare fenomeni rarissimi e cercare crepe nelle teorie attuali che potrebbero condurci verso una comprensione più profonda dell’universo. E a rendere possibile questo salto tecnologico sarà un miracolo dell’elettronica nel cui sviluppo l’Italia ha svolto un ruolo centrale: i rivelatori in silicio ultra-veloci noti come Lgad. Vediamo di cosa si tratta.
Perché Lhc si rinnova?
La necessità di potenziare Lhc nasce da una maggiore esigenza di precisione statistica. Sebbene il bosone di Higgs sia stato individuato nel 2012, il suo studio dettagliato rimane la chiave per comprendere la stabilità dell’universo e le sue simmetrie fondamentali. Aumentare la luminosità dell’Lhc significa moltiplicare drasticamente il numero di collisioni prodotte, generando una mole di dati senza precedenti. Più collisioni equivalgono a una statistica più ricca, con cui sarà possibile distinguere con più facilità un segnale autentico da un rumore di fondo che, nelle attuali condizioni di funzionamento, rischia di mascherare ogni deviazione significativa dalle previsioni del Modello Standard, segnali che potrebbero indicare l’esistenza di una nuova fisica inesplorata.
Per arrivarci, servirà un upgrade tecnologico imponente, che si svilupperà nell’arco dei prossimi quattro anni. Attualmente, l’acceleratore si sta avvicinando alla fine della sua terza fase operativa, nota come Run 3. In estate dovrebbero concludersi le collisioni, e inizierà un periodo di fermo tecnico in cui verranno svolti i massicci lavori di potenziamento strutturale, che doteranno Lhc di nuovi magneti più potenti, nuovi dispositivi che massimizzeranno la sovrapposizione delle particelle prima della collisione, e aggiorneranno i due rivelatori, Atlas e Cms, per renderli in grado di gestire l’enorme volume di dati che dovranno raccogliere, e le radiazioni più intense generate dall’aumento delle collisioni. L’obiettivo fissato dal Cern è ambizioso: completare l’integrazione di tutte le nuove tecnologie, inclusi i sensori di ultima generazione, per arrivare pronti all’accensione di questo nuovo “High Luminosity Lhc” (Hl-Lhc) nel 2030.
Il ruolo critico dei rivelatori Lgad
Aumentare il numero di collisioni ovviamente è utile solamente se si hanno a disposizione gli strumenti con cui registrarle e studiarle. Ed è qui che entrano in gioco i nuovi rivelatori in silicio ultra-veloci noti come Lgad, o Low Gain Avalanche Diode. La sovrabbondanza di collisioni (un fenomeno noto come “pile up”) rende complicatissimo distinguere le tracce delle singole particelle conoscendo solamente la posizione in cui sono passate (come fanno i rivelatori tradizionali). Per risolvere il problema, i nuovi rivelatori permettono ricostruire anche l’istante preciso in cui è passata, e di tracciare quindi le particelle in 4D, grazie a una risoluzione temporale di circa 30 picosecondi (ovvero 30 millesimi di miliardesimo di secondo). Grazie a questa precisione, i fisici possono distinguere particelle che arrivano nello stesso punto ma in istanti leggermente diversi, “scartando” il rumore di fondo (pile-up) e isolando solo l’evento di interesse.
Il loro sviluppo è stato uno sforzo internazionale, che ha visto il nostro paese in prima linea grazie al lavoro del ricercatori Nicolò Cartiglia, dell’Infn di Torino, e a quello della Fondazione Bruno Kessler, che ha avuto un ruolo centrale nello sviluppo tecnologico, nell’ottimizzazione di processo e nella produzione su larga scala di questi rivelatori. La fondazione ha già prodotto 13mila rivelatori Lgad che verranno installati all’interno dell’Endcap Timing Layer, il nuovo dispositivo di rilevazione che verrà costruito all’interno dell’esperimento Cms. Per vederli in azione, come dicevamo, dovremo aspettare però il 2030, quando inizierà la prima run del nuovo Hl-Lhc.
Il futuro oltre Lhc
Il prossimo upgrade ad alta luminosità rappresenta uno sforzo per estrarre ogni singola informazione possibile dalla fisica che già conosciamo con l’Lhc. Ma al Cern si lavora già anche al suo successore: un acceleratore ancora più titanico che dovrebbe produrre particelle impossibili con gli attuali livelli energetici. Il progetto, noto come Future Circular Collider (Fcc) prevede la creazione di un nuovo anello sotterraneo dalla circonferenza di circa 91 chilometri, in cui portare le collisioni protone-protone fino a 100 TeV, un livello di potenza che oggi è fisicamente precluso.
