I detective magnetici

La lettura del misuratore di corrente stava gradualmente salendo. Finché non lo fu più. In effetti, improvvisamente è caduto. “Uh-oh”, ricorda Giorgio Ambrosio di aver pensato. "Houston abbiamo un problema."

Ambrosio è uno scienziato del Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti che supervisiona l'assemblaggio dei magneti costruiti negli Stati Uniti per l'aggiornamento ad alta luminosità del Large Hadron Collider. Raddoppiando il numero di protoni all'interno dell'LHC e migliorando la dinamica del fascio, l'aggiornamento aumenterà i set di dati sperimentali di un fattore 10. Ciò consentirà ai fisici di studiare fenomeni fisici rari e di saperne di più sull'origine della massa e della materia nell'universo.

L'aggiornamento HL-LHC necessita di 150 nuovi magneti acceleratori. Negli Stati Uniti, il progetto di aggiornamento dell’acceleratore LHC sta costruendo nuovi magneti di focalizzazione, che schiacceranno il raggio appena prima delle collisioni e saranno due volte più potenti dei loro predecessori.

Ma il nuovo magnete di focalizzazione che Ambrosio e i suoi colleghi statunitensi stavano testando aveva fallito; il magnete era morto.

Gli elettromagneti lunghi 5 metri devono trasportare 16.530 ampere di corrente, più o meno quanto un fulmine. Poiché diventano superconduttori quando vengono raffreddati a temperature molto basse, i magneti possono trasportare questa enorme corrente senza generare calore. Scienziati come Ambrosio introducono e aumentano gradualmente la corrente per testare e “addestrare” i magneti prima dell’uso.

Ambrosio e colleghi come Alice Moros, ricercatrice del CERN, sanno che “le cose che non funzionano” fanno parte del processo scientifico, soprattutto quando si lavora con una tecnologia complessa, unica nel suo genere e non disponibile in commercio. "Un magnete, come ogni altra cosa al mondo, non può essere perfetto", dice Moros.

Quindi, il team statunitense ha messo da parte il magnete e ha iniziato a testarne un altro. Ancora una volta, la corrente aumentò e ancora una volta diminuì improvvisamente. Hanno provato a rianimarlo, ma la corrente si è rifiutata di salire: un secondo magnete era morto.

"La parte peggiore è che ciò è accaduto due volte, su due magneti, uno dopo l'altro", afferma Ambrosio. "Sembrava di essere sul Titanic dopo l'incontro con l'iceberg."

Si sono trattato solo di due sfortunate coincidenze? Oppure un punto debole nella progettazione dei magneti stava per far fallire l'intero progetto di aggiornamento dell'LHC? Trovare il colpevole era vitale: il futuro del programma di ricerca LHC dipendeva da questo.

La produzione dei magneti di focalizzazione HL-LHC prevede centinaia di passaggi nel corso di un periodo di sei mesi. Il problema potrebbe essere sorto da qualsiasi parte del processo.

Ambrosio e i suoi colleghi hanno rivolto la loro attenzione al primo magnete che ha ceduto. Quali segreti potrebbe rivelare la sua prematura scomparsa? “Abbiamo avviato subito le indagini”, afferma Ambrosio.

Sospetto no. 1: l'avvolgimento del cavo.

Ogni bobina magnetica è costituita da un unico cavo, avvolto 50 volte nel senso della lunghezza attorno a un palo di titanio lungo 4,2 metri. Il cavo è delicato perché è costituito da 40 fili intrecciati pieni di fragili filamenti di niobio-stagno. Se uno di questi fili cadesse fuori posto, potrebbe creare un punto di schiacciamento che comprometterebbe l'intera bobina.

Nella bobina rotta “abbiamo dovuto fissare un filo due volte durante l’avvolgimento”, spiega Ambrosio. "Quindi abbiamo avuto la domanda: il filo si è spostato di nuovo?"

Sospetto no. 2: un ritardo imprevisto.

Dopo l'avvolgimento, i tecnici trasformano la bobina grezza in un magnete superconduttore funzionale e robusto attraverso trattamenti termici, applicazione di leganti e saldatura sui componenti. L'avvolgimento e la guarigione di solito richiedono un paio di settimane, ma la loro vittima era quella su cui stavano lavorando quando il COVID colpì per la prima volta.

"Abbiamo iniziato la fabbricazione delle bobine e poi abbiamo dovuto fermarci per 12 settimane", afferma Ambrosio. "Questo è piuttosto insolito... Ma ha avuto un impatto?"

Sospetto no. 3: una simmetria rotta.

I magneti di focalizzazione erano quadrupoli, nel senso che erano costituiti ciascuno da quattro bobine separate montate insieme per formare un cilindro lungo e cavo. Quando il magnete è acceso a piena corrente, le forze elettromagnetiche tirano le estremità delle quattro bobine con una forza di 100 tonnellate.