L’Lhc si avvicina a una nuova fase della sua storia. Dopo avere segnato uno dei passaggi più importanti della fisica contemporanea con la conferma del bosone di Higgs nel 2012, il grande acceleratore del Cern di Ginevra si prepara a un potenziamento destinato a cambiare il ritmo degli esperimenti. L’obiettivo non riguarda un semplice aumento delle prestazioni: al centro c’è la possibilità di raccogliere molti più dati e di leggere con maggiore precisione fenomeni che oggi restano difficili da isolare.
Il punto è chiaro. Dopo anni di attività, l’impianto ha già mostrato gran parte di ciò che poteva offrire nella sua configurazione attuale. Per andare oltre, serve una macchina capace di generare più collisioni, di sopportare condizioni operative più severe e di affidarsi a strumenti di rilevazione molto più raffinati. È in questo quadro che prende forma l’High Luminosity Lhc, atteso per il 2030.
Perché il Cern prepara un Lhc molto più preciso
La ragione dell’upgrade sta nella necessità di affinare lo studio della fisica già osservata. Il bosone di Higgs è stato individuato, ma la sua natura continua a porre domande importanti. Misurarlo con maggiore accuratezza significa verificare se il quadro teorico oggi accettato regga davvero in ogni dettaglio oppure se, dietro piccole anomalie, si nasconda qualcosa di nuovo.
Per ottenere questo risultato, il Cern punta ad aumentare la luminosità dell’acceleratore di circa 10 volte. In termini pratici, il numero delle collisioni salirà in modo netto, e con esso crescerà la quantità di informazioni disponibili per i fisici. Più dati, in questo caso, vuol dire una statistica più robusta. Quando gli eventi da osservare sono rari, ogni dettaglio conta e ogni incremento di precisione può fare la differenza tra un segnale reale e un effetto casuale.
Il percorso richiederà anni di lavoro. L’Run 3 è vicino alla sua chiusura e, dopo la fine delle collisioni prevista in estate, si aprirà una lunga fase tecnica. Lungo questo intervallo verranno installati nuovi magneti, sistemi in grado di aumentare l’efficacia degli scontri tra particelle e aggiornamenti profondi ai rivelatori principali, Atlas e Cms. Non si tratta di ritocchi marginali: senza questa trasformazione, il futuro assetto dell’Lhc produrrebbe una massa di segnali troppo complessa da gestire.
I nuovi sensori che leggono il tempo delle particelle
L’elemento più interessante del progetto riguarda i rivelatori in silicio Lgad, sigla che indica i Low Gain Avalanche Diode. Sono dispositivi pensati per affrontare uno dei problemi più difficili della nuova fase dell’Lhc: l’enorme sovrapposizione di collisioni che rende complicato capire quali tracce appartengano davvero allo stesso evento.
I rivelatori tradizionali registrano soprattutto il punto in cui una particella è passata. I nuovi Lgad, invece, aggiungono una dimensione decisiva: il tempo. Grazie a una risoluzione di circa 30 picosecondi, questi sensori riescono a distinguere particelle che arrivano quasi nello stesso posto ma in istanti diversi. È questo il salto che permette una ricostruzione in 4D, con una capacità di selezione molto più fine rispetto a quella attuale.
In questa parte del progetto l’Italia occupa una posizione di rilievo. Lo sviluppo dei rivelatori ha coinvolto il lavoro di Nicolò Cartiglia dell’Infn di Torino e della Fondazione Bruno Kessler, che ha avuto un ruolo centrale nella fase tecnologica, nell’ottimizzazione dei processi e nella produzione su scala ampia.
La fondazione ha già realizzato 13.000 rivelatori, destinati all’Endcap Timing Layer del rivelatore Cms. È una componente decisiva del nuovo assetto sperimentale, perché senza strumenti capaci di separare il segnale utile dal rumore di fondo l’aumento delle collisioni perderebbe gran parte del suo valore.
Oltre il 2030: il Cern pensa già a un’altra macchina
L’upgrade dell’Lhc rappresenta una tappa molto importante, ma non chiude il discorso sul futuro della fisica delle particelle. Al Cern si guarda già oltre, verso un progetto ancora più ambizioso: il Future Circular Collider, o Fcc. In questo caso la scala cambia in modo netto, perché il piano prevede un anello sotterraneo di circa 91 chilometri e collisioni protone-protone fino a 100 TeV.
L’idea è semplice nella sua formulazione e gigantesca nella sua realizzazione: spingersi verso energie oggi fuori portata, con la speranza di produrre particelle nuove e di affrontare domande che l’Lhc, anche nella sua versione potenziata, può soltanto sfiorare. Sul tavolo restano temi come la materia oscura e l’asimmetria tra materia e antimateria, nodi che continuano a segnare i limiti della conoscenza attuale.
Il nuovo Hl-Lhc servirà dunque a spremere fino in fondo il potenziale della macchina esistente. Il Fcc, invece, appartiene a un orizzonte più lontano e ancora incerto. Il via libera definitivo è atteso nel 2028 e, anche in caso di approvazione, la piena operatività richiederebbe tempi molto lunghi. Per ora il presente passa da qui: un acceleratore che non ha ancora finito il proprio compito e una nuova generazione di sensori chiamata a renderlo, ancora una volta, centrale.
