Risonanze magnetiche e non solo. La superconduttività rappresenta una delle tecnologie fondamentali alla base dei moderni acceleratori di particelle. Al CERN di Ginevra è impiegata in modo estensivo per generare campi magnetici intensi, stabili e uniformi, indispensabili per guidare fasci di particelle che viaggiano a velocità prossime a quella della luce. Il sistema più imponente che sfrutta tali principi è il Large Hadron Collider (LHC), un anello sotterraneo lungo 27 chilometri in cui protoni e ioni vengono accelerati e fatti collidere per esplorare la struttura più profonda della materia.
I magneti che curvano e controllano la traiettoria dei fasci sono basati su materiali superconduttori, in particolare su leghe di niobio-titanio, che diventano privi di resistenza elettrica quando vengono portati a temperature estremamente basse. Per raggiungere queste condizioni, il CERN ha sviluppato uno dei più vasti e complessi sistemi criogenici al mondo, capace di mantenere i magneti a circa 1,9 kelvin grazie all’impiego di elio liquido in stato superfluido. Solo in questa condizione i conduttori possono trasportare correnti di decine di migliaia di ampere senza dissipare energia, consentendo la generazione di campi magnetici dell’ordine degli 8 tesla, necessari per mantenere il fascio in orbita lungo l’intero percorso dell’acceleratore.
La funzione dei magneti non si limita alla curvatura del fascio. Nei punti in cui avvengono le collisioni sono richieste configurazioni di campo particolarmente precise per comprimere e focalizzare il fascio in un’area ridotta, aumentando così la probabilità di interazione tra le particelle. I magneti di focalizzazione, o quadrupoli, sono anch’essi superconduttori e richiedono un controllo delle correnti e delle condizioni termiche estremamente accurato per garantire la stabilità del fascio durante il funzionamento dell’acceleratore.
Nella vita pratica
Parallelamente all’utilizzo operativo, il CERN conduce attività di ricerca e sviluppo su nuovi materiali superconduttori. Una parte significativa di questo lavoro riguarda il niobio-stagno (Nb₃Sn), un materiale capace di sostenere campi magnetici più intensi rispetto al niobio-titanio tradizionale. Lo sviluppo di tecnologie basate sul Nb₃Sn è cruciale per la realizzazione dell’High-Luminosity LHC, un aggiornamento dell’acceleratore che mira a incrementare di un ordine di grandezza la luminosità, ovvero il numero di collisioni utili prodotte in un dato intervallo di tempo. Questo risultato richiede magneti più potenti e più compatti, insieme a un controllo ancora più raffinato del sistema criogenico.
L’investigazione sulla superconduttività al CERN non è confinata alle esigenze degli acceleratori. Le competenze maturate nella produzione di grandi infrastrutture criogeniche, nella manifattura di cavi superconduttori e nel controllo di magneti di alta precisione hanno numerose ricadute tecnologiche. Applicazioni in campi come la risonanza magnetica ad alto campo, la realizzazione di dispositivi per la fusione nucleare controllata e lo sviluppo di nuovi sistemi per la trasmissione di energia traggono beneficio dall’esperienza del laboratorio europeo.
L’impiego della superconduttività negli acceleratori del CERN rappresenta quindi un esempio emblematico di come la fisica fondamentale richieda la collaborazione tra scienza dei materiali, ingegneria avanzata e fisica applicata. La ricerca sui superconduttori non solo permette di raggiungere energie e sensibilità sempre maggiori, ma alimenta un circolo virtuoso di innovazione che si estende ben oltre la fisica delle particelle, contribuendo allo sviluppo di tecnologie cruciali per la società e per le future infrastrutture scientifiche.
Nel video l’intervista di Rosanna Piras ad Amalia Ballarino e Luca Bottura, responsabili coordinatori nei progetti sui superconduttori.
