Quattro anni di lavori convertiranno l’acceleratore nello HiLumi LHC, capace di produrre più collisioni e dati per studiare fenomeni rari

Alle 6 del mattino del 27 giugno 2026, gli operatori del Large Hadron Collider hanno espulso gli ultimi fasci di particelle dall’anello sotterraneo. Sul quadro di controllo dell’acceleratore è comparso un saluto alle collisioni: un gesto simbolico che ha chiuso il terzo periodo operativo della macchina e aperto il più esteso intervento tecnico intrapreso al CERN dalla sua costruzione.

Il collisore non viene dismesso. Entra nel Long Shutdown 3, abbreviato in LS3, una fermata programmata che durerà fino a quattro anni e coinvolgerà migliaia di fisici, ingegneri, tecnici e specialisti provenienti dal laboratorio europeo e dagli istituti partner. Lo scopo è trasformare l’attuale infrastruttura nello High-Luminosity Large Hadron Collider, o HiLumi LHC, aumentando nettamente la quantità di collisioni utilizzabili dagli esperimenti.

La fermata separa due fasi della storia scientifica del CERN. Dal primo fascio, fatto circolare nel settembre 2008, il LHC ha attraversato tre cicli di attività e ha fornito agli esperimenti una quantità crescente di dati. Il risultato più noto arrivò il 4 luglio 2012, quando le collaborazioni ATLAS e CMS annunciarono la scoperta del bosone di Higgs, confermando sperimentalmente il meccanismo attraverso il quale le particelle elementari acquisiscono massa.

Il programma svolto finora comprende anche la scoperta di oltre 85 adroni, nuove misure sulle proprietà delle particelle già conosciute, lo studio del plasma di quark e gluoni e la ricerca di processi capaci di spiegare perché nell’Universo osservabile la materia prevalga sull’antimateria. Molte indagini non hanno prodotto la scoperta di nuove particelle, ma hanno ristretto lo spazio entro il quale potrebbero manifestarsi fenomeni non descritti dal Modello Standard della fisica.

Un tratto lungo ben 1,2 chilometri sarà rimosso e ricostruito

La trasformazione richiederà di smontare e sostituire magneti, collegamenti e componenti distribuiti lungo circa 1,2 chilometri dei 27 chilometri dell’anello. L’intervento sarà concentrato soprattutto nei pressi dei punti di collisione occupati da ATLAS e CMS, dove nuovi apparati dovranno comprimere i fasci di protoni con maggiore precisione prima dell’incrocio.

La modifica non consiste nell’aumentare semplicemente l’energia delle particelle. Il parametro decisivo è la luminosità, cioè la capacità del collisore di generare un elevato numero di interazioni in una determinata unità di tempo e di superficie. Accrescere la luminosità significa fornire agli esperimenti campioni statistici più ampi, indispensabili per riconoscere eventi molto rari in mezzo a miliardi di collisioni ordinarie.

L’obiettivo dello HiLumi LHC è raggiungere una luminosità integrata fino a dieci volte superiore rispetto al valore previsto nel progetto originario della macchina. Entro la fine del 2025, il LHC aveva prodotto complessivamente circa 500 femtobarn inversi di dati. La nuova configurazione dovrebbe superare i 250 femtobarn inversi all’anno e raccoglierne fino a 4.000 nel corso della propria vita operativa.

Un femtobarn inverso corrisponde a una misura della quantità di collisioni potenzialmente osservabili, non alla capacità di archiviazione informatica. Secondo la definizione utilizzata dal CERN, un solo femtobarn inverso equivale a circa cento milioni di miliardi di collisioni. L’aumento atteso non garantisce automaticamente nuove scoperte, ma rende più probabile l’osservazione di processi che si producono con frequenze estremamente basse.

“Il LHC ha superato ogni aspettativa. Per quasi due decenni ha trasformato la nostra comprensione dell’Universo e ispirato generazioni di scienziati, ingegneri e cittadini in tutto il mondo. Oggi salutiamo il LHC così come lo abbiamo conosciuto, mentre ci prepariamo ad accogliere il suo successore: lo HiLumi LHC”,

ha affermato Oliver Brüning, direttore del CERN per Acceleratori e Tecnologia

Fra gli obiettivi principali rientra lo studio di precisione del bosone di Higgs. Il CERN stima che lo HiLumi LHC potrebbe produrne circa 380 milioni durante la propria attività, contro i circa 55 milioni generati dall’inizio delle operazioni del collisore. Una popolazione molto più ampia consentirà di misurare con maggiore accuratezza le modalità con cui la particella interagisce con gli altri componenti della materia.

Magneti, criogenia e alimentazione entrano in una nuova fase

Per concentrare fasci più intensi serviranno magneti superconduttori di nuova generazione, sistemi criogenici dedicati e collegamenti elettrici capaci di trasportare correnti molto elevate. Parte delle apparecchiature sarà collocata nelle nuove gallerie sotterranee costruite accanto all’anello, collegate al tunnel esistente mediante passaggi orizzontali e condotti verticali.

I lavori di ingegneria civile erano iniziati nell’aprile 2018 al Punto 1 di Meyrin, sul lato svizzero dove si trova ATLAS, e al Punto 5 di Cessy, in Francia, sede di CMS. In ciascuna area sono stati scavati un pozzo profondo circa 80 metri, nuove caverne e un tunnel tecnico lungo 300 metri. Cinque edifici in superficie ospitano inoltre infrastrutture elettriche, impianti di raffreddamento, ventilazione e apparati criogenici.

Una delle soluzioni sviluppate per la nuova configurazione è il Cold Powering System. Il sistema utilizza materiali superconduttori ad alta e media temperatura per trasferire correnti lungo circa cento metri, collegando convertitori collocati a temperatura ambiente con magneti mantenuti a condizioni prossime allo zero assoluto. L’architettura permette di spostare parte degli apparati di alimentazione fuori dalle aree più esposte alle radiazioni e difficili da raggiungere.

La fermata è necessaria anche per la natura stessa dell’infrastruttura. I magneti del LHC operano a circa 1,9 kelvin, una temperatura inferiore a quella dello spazio interstellare. Portare a temperatura ambiente i settori interessati, renderli accessibili, rimuovere componenti pesanti, installare nuovi dispositivi e riportare l’intero insieme alle condizioni operative richiede sequenze tecniche che non possono essere eseguite durante le normali pause annuali.

“Il LS3 rappresenta un’impresa logistica e ingegneristica enorme e complessa. Nel solo LHC saranno rimossi 1,2 chilometri di magneti e componenti e sostituiti con nuove apparecchiature, mentre nell’intero complesso sono previsti decine di progetti”,

ha spiegato Jean-Philippe Tock, responsabile del gruppo di coordinamento del Long Shutdown 3

L’intervento coinvolge una collaborazione internazionale formata da circa 50 istituti di oltre 20 Paesi. Accanto ai finanziamenti degli Stati membri e associati del CERN, sono previsti contributi specifici da Italia, Spagna, Svezia, Regno Unito, Serbia e Pakistan, oltre che da Stati Uniti, Giappone, Canada e Cina. L’aggiornamento dell’acceleratore dipende quindi da una catena industriale e scientifica distribuita, impegnata nella produzione di magneti, elettronica, cavi, sistemi per il vuoto e componenti criogenici.

ATLAS e CMS dovranno poter selezionare miliardi di eventi

L’aumento delle collisioni sarebbe inutilizzabile senza una trasformazione parallela dei rivelatori. Nella precedente fase operativa, ogni incrocio dei pacchetti di protoni produceva mediamente circa 60 collisioni simultanee. Con lo HiLumi LHC, il numero salirà a un intervallo compreso fra 140 e 200. Le tracce generate da eventi differenti tenderanno quindi a sovrapporsi, rendendo più difficile ricostruire che cosa sia realmente accaduto nel punto d’interazione.

ATLAS e CMS saranno in larga parte ricostruiti. Entrambi riceveranno nuovi tracciatori interamente basati sul silicio, dotati di miliardi di canali di lettura, rivelatori temporali capaci di distinguere segnali separati da poche decine di picosecondi e calorimetri progettati per funzionare a frequenze dell’ordine dei megahertz.

Il tempo diventerà una quarta coordinata per separare le collisioni. La posizione spaziale di una traccia non sarà sempre sufficiente a collegarla al corretto vertice d’origine; la misura dell’istante in cui una particella attraversa il rivelatore contribuirà a ricostruire l’evento cui appartiene. Risoluzioni di poche decine di picosecondi corrispondono a intervalli di appena alcuni millesimi di miliardesimo di secondo.

Anche i sistemi di trigger, incaricati di decidere quali eventi conservare, saranno sostituiti. I rivelatori dovranno esaminare più di cinque miliardi di interazioni al secondo, eliminando in tempo reale la maggior parte dei dati e selezionando soltanto le collisioni potenzialmente interessanti. Non è infatti possibile registrare integralmente ogni segnale prodotto, né trasferirlo senza filtro ai centri di calcolo.

La sfida riguarda elettronica, software e capacità computazionale. Algoritmi più rapidi dovranno riconoscere schemi fisici rilevanti mentre l’evento sta ancora attraversando i livelli di acquisizione. L’aumento dei canali, della frequenza di lettura e della precisione temporale produrrà inoltre una quantità di informazioni superiore, con effetti sulla rete mondiale di centri che elabora e distribuisce i dati del CERN.

La riorganizzazione è già cominciata. Una delle prime operazioni ha interessato la struttura informatica dell’High-Level Trigger di ATLAS, composta da centinaia di server. Il centro di calcolo viene trasferito dal Punto 1 al Punto 8, dove opera l’esperimento LHCb, perché la riconfigurazione delle infrastrutture sotterranee impone nuovi vincoli di spazio e alimentazione. Il riutilizzo delle macchine consente di prolungarne la vita operativa e ridurre la produzione di rifiuti elettronici.

La fermata riguarda l’intero complesso degli acceleratori

Il Long Shutdown 3 non è limitato all’anello principale. Gli altri acceleratori del CERN continueranno a funzionare fino alla fine dell’agosto 2026, prima di entrare a loro volta nella fase di manutenzione. Il programma comprende il consolidamento del Super Proton Synchrotron, il secondo acceleratore più grande del laboratorio, e il rinnovo della North Area, che alimenta diversi esperimenti a bersaglio fisso.

È prevista anche la trasformazione della caverna sperimentale ECN3 in una struttura ad alta intensità, lo smantellamento dell’area utilizzata dal precedente progetto CERN Neutrinos to Gran Sasso e il rinnovamento di ISOLDE, l’impianto dedicato alla produzione e allo studio di nuclei radioattivi. A questi interventi si aggiungono lavori sulle reti elettriche, sui sistemi di sicurezza del personale e sulle gallerie tecniche.

La gestione di componenti attivati dalle radiazioni rappresenta uno degli aspetti più delicati. A ISOLDE, per esempio, sono stati rimossi due assorbitori di fascio installati nei primi anni Novanta e ormai vicini ai propri limiti termici e meccanici. Le strutture erano protette da blocchi di calcestruzzo e da circa 8.000 metri cubi di terreno; il loro smontaggio ha richiesto caratterizzazioni radiologiche, apparecchiature pesanti e sistemi robotizzati.

Durante la fermata non circoleranno fasci nel LHC, ma l’attività scientifica proseguirà. Le collaborazioni continueranno ad analizzare i dati accumulati durante il terzo ciclo operativo, mentre gruppi differenti installeranno e collauderanno le nuove apparecchiature. La distanza temporale fra raccolta dei dati e pubblicazione dei risultati rende possibile che nuove misure emergano anche mentre l’acceleratore è spento.

Il riavvio del complesso avverrà per fasi. Alcuni impianti dovrebbero riprendere l’attività dalla metà del 2028, mentre l’entrata in funzione dello HiLumi LHC è prevista per la metà del 2030. Prima delle collisioni scientifiche saranno necessari test elettrici, verifiche del vuoto, raffreddamento dei magneti, circolazione dei primi fasci e una lunga fase di messa a punto.

La verifica decisiva arriverà quando acceleratore e rivelatori dovranno operare insieme con continuità. La maggiore luminosità avrà valore scientifico soltanto se i magneti manterranno fasci stabili, i nuovi sensori distingueranno collisioni sovrapposte e i sistemi informatici selezioneranno gli eventi senza perdere segnali rari. Il Long Shutdown 3 serve a costruire questa capacità: non un collisore più grande, ma una macchina in grado di osservare con maggiore precisione ciò che oggi resta nascosto dentro quantità insufficienti di dati.

Il CERN prepara lo HiLumi LHC, il più grande acceleratore di particelle del mondo

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