Nuovi orizzonti nella SRF: oltre la HL

L’innovazione nella tecnologia e nelle applicazioni della radiofrequenza superconduttiva (SRF) è fondamentale per il successo del progetto High-Luminosity LHC (HL-LHC) e dei collisori di particelle di prossima generazione che seguiranno. Frank Gerigk, leader del gruppo RF del CERN, valuta i progressi sulla tabella di marcia di ricerca e sviluppo della SRF e i rigorosi requisiti di fabbricazione e prestazioni già in vista.

L'impegno del CERN nei confronti delle tecnologie a radiofrequenza superconduttiva (SRF) risale a molto tempo fa: abbraccia più di quattro decenni di investimenti sostenuti in infrastrutture, ricerca e sviluppo applicati, innovazione a livello di dispositivi e sistemi, nonché collaborazione internazionale con partner accademici e industriali. Se questo è il titolo, però, quali sono le prospettive per il programma SRF del CERN?

A questo punto è istruttivo un riepilogo dei risultati ottenuti dal CERN SRF prima di illustrare la tabella di marcia di ricerca e sviluppo e innovazione a lungo termine. Per cominciare, le cavità SRF – una tecnologia di punta per gli acceleratori di frontiera nella fisica delle particelle, nella fisica nucleare e nella scienza dei materiali – sono state determinanti nel spingere il collisore di grandi elettroni-positroni (LEP) del CERN verso nuovi regimi energetici. Alla fine degli anni ’90, un totale di 288 cavità SRF – ciascuna comprendente una sottile pellicola di niobio superconduttore spruzzato su una cavità di rame – furono installate nel LEP-II, fornendo fino a 7 MV/m di gradiente di accelerazione e consentendo alla macchina di raggiungere infine un'energia del centro di massa di 209 GeV (contro 91 GeV per la macchina LEP originale). All’inizio del millennio la LEP-II era l’impianto SRF più potente al mondo.

Avanti veloce fino al 2010 e all'avvento del progetto HIE-ISOLDE, l'aggiornamento “ad alta intensità ed energia” dell'impianto di fasci radioattivi del CERN, che ha sbloccato ulteriori investimenti nel programma SRF. Operativamente, HIE-ISOLDE mirava ad aumentare l'energia dei fasci di radionuclidi di ISOLDE da 3 MeV/u fino a 10 MeV/u attraverso la costruzione di un post-acceleratore superconduttore - che richiedeva, a sua volta, la progettazione, l'elaborazione e il test di massa- cavità SRF di niobio insieme a prestazioni di rivestimento migliorate per cavità SRF di niobio-rame a film sottile.

Gli ingegneri del CERN hanno debitamente sviluppato un prototipo completo delle cavità a quarto d'onda rivestite da 100 MHz per HIE-ISOLDE prima di trasferire la tecnologia all'industria. Successivamente, tuttavia, molte delle cavità esternalizzate hanno mostrato limitazioni prestazionali, legate a un cordone di saldatura in una regione della cavità con elevate correnti superficiali. Per risolvere questo problema, il team RF del CERN ha ideato una soluzione innovativa che si è rivelata fondamentale per incrementare i limiti prestazionali delle cavità SRF a film sottile.

In parole povere, la cavità HIE-ISOLDE è stata riprogettata in modo tale da poter essere ricavata da un unico pezzo di rame senza saldature. Dopo il rivestimento con niobio e i successivi test nel 2017, la cavità dal nuovo aspetto ha prodotto campi di picco superficiali senza precedenti di oltre 60 MV/m e un valore Q di 109 a 2,3 K. Queste cifre di merito - ben al di sopra dell'obiettivo di qualificazione di circa 30 MV /m (Q = 5 × 108) – ha dato una chiara direzione per ulteriori attività di ricerca e sviluppo su cavità a film sottile su substrati di rame senza saldatura, con quattro criomoduli (ciascuno contenente cinque cavità SRF) successivamente installati come parte dell’aggiornamento HIE-ISOLDE. Significativamente, questa è stata anche la prima volta che una cavità di “produzione” utilizzando niobio a film sottile su rame ha dato risultati paragonabili a cavità di niobio sfuso, le cui prestazioni avevano visto rapidi progressi nel decennio precedente come risultato dello sforzo collettivo di ricerca e sviluppo. orientato verso l’International Linear Collider (ILC).

In questo momento, al centro della roadmap della tecnologia SRF c'è il progetto HL-LHC, un'impresa ambiziosa per aumentare la luminosità integrata di un fattore 10 oltre il valore di progettazione dell'LHC e, così facendo, aprire nuove opportunità per fondamentali fisica dal 2030 in poi. Una volta operativo, HL-LHC utilizzerà “cavità di granchio” di niobio superconduttore per ottimizzare l’incrocio dei grappoli nei punti di interazione delle particelle, aumentando e “livellando” così la luminosità delle collisioni protone-protone. Ciò si ottiene ruotando leggermente i gruppi di particelle prima della collisione e poi riportandoli al loro orientamento originale dopo l'interazione (vedi “Collisioni create”).