Presso l’Istituto Paul Scherrer PSI sono stati prodotti con successo i primi positroni in una sorgente di prova per il collisore di particelle di nuova generazione proposto dal CERN, che potrebbe succedere al Large Hadron Collider. La sorgente, installata presso il laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL, utilizza nuove tecnologie, tra cui magneti superconduttori ad alta temperatura, per ottenere un’elevata resa di positroni. Questo risultato dimostra la fattibilità del concetto di sorgente di positroni e segna un’importante pietra miliare nello sviluppo delle tecnologie necessarie per i collisori elettrone-positrone.
In un bunker sotterraneo presso l’Istituto Paul Scherrer PSI in Argovia, Svizzera, sono stati generati dei positroni presso la sorgente di prova per verificare il principio di funzionamento. "Questi sono i primi positroni per il progetto FCC, quindi si tratta di una tappa fondamentale”, afferma Paolo Craievich. Il fisico del Centro per la scienza e l’ingegneria degli acceleratori del PSI co-dirige, insieme a Riccardo Zennaro, il progetto di produzione di positroni del PSI, noto come P³.
Il Future Circular Collider (FCC) è un acceleratore di particelle da 91 km attualmente in fase di studio come possibile successore del Large Hadron Collider negli anni ’40 del XXI secolo. Situato in un tunnel sotto la regione di confine franco-svizzera vicino al CERN, a una profondità media di 200 metri, il collisore farà scontrare elettroni con i positroni, le loro antiparticelle. Ciò aprirà nuove strade per esplorare questioni fondamentali sulla natura dell’universo che vanno oltre la portata degli attuali collisori.
Una delle principali sfide tecniche del collisore consiste nel produrre una quantità sufficiente di positroni e nel raccoglierli in modo efficiente in un fascio – cosa che le tecnologie esistenti non sono ancora in grado di fare sulla scala richiesta. I ricercatori del PSI hanno quindi dedicato gli ultimi cinque anni allo sviluppo di una sorgente di positroni più potente, ora installata presso lo SwissFEL.
Aumentare la resa di positroni
Il prototipo della sorgente di positroni viene testato utilizzando elettroni accelerati provenienti dallo SwissFEL. Questi elettroni colpiscono un bersaglio di tungsteno e generano una pioggia di positroni. Il compito della sorgente di positroni è quello di catturare i positroni e creare un fascio compatto utilizzando forti campi magnetici.
"Quando gli elettroni colpiscono il bersaglio, vengono prodotti positroni che viaggiano in molte direzioni diverse", spiega Riccardo Zennaro del Centro per la Scienza e l’Ingegneria degli Acceleratori del PSI. "La sfida consiste nel raccoglierne il maggior numero possibile e concentrarli in un fascio. Normalmente, in questa fase se ne perde una gran parte. I nostri risultati iniziali suggeriscono che il nuovo sistema potrebbe catturare un numero di positroni sufficiente a soddisfare le specifiche dell’FCC."
Tecnologia oltre i limiti convenzionali
Il cuore della sorgente di positroni è il solenoide di cattura: un magnete superconduttore ad alta temperatura che circonda il bersaglio. Per catturare il maggior numero possibile di positroni è necessario un campo magnetico estremamente elevato.
Le esigenze superavano i limiti della tecnologia convenzionale dei magneti superconduttori; pertanto, gli esperti di magneti del PSI hanno sviluppato un magnete compatto in grado di mantenere campi eccezionalmente intensi pur rimanendo stabile durante il funzionamento. Questo magnete è progettato per raggiungere un campo di circa 15 tesla. A titolo di confronto, il magnete di cattura utilizzato nella sorgente di positroni SuperKEKB in Giappone – una delle sorgenti di positroni più performanti attualmente in funzione – raggiunge i 3,5 tesla.
Oltre al solenoide di cattura, ulteriori componenti innovativi guidano, separano e misurano le particelle prodotte sul bersaglio. Dispositivi a radiofrequenza (RF) accelerano e raggruppano i positroni, in modo che possano essere trasportati in modo efficiente e – infine – iniettati in un collisore. I nuovi strumenti diagnostici sviluppati misurano il numero di positroni generati, insieme alla loro tempistica e alla loro energia, consentendo ai ricercatori di valutare l’efficacia della nuova sorgente.
La generazione dei primi positroni dimostra che questi diversi componenti funzionano in sinergia. Michael Benedikt, responsabile del progetto FCC al CERN, commenta così questo traguardo: "Questi risultati segnano un passo importante per l’FCC, convalidando l’approccio proposto per la sorgente di positroni e dimostrandone il potenziale nel soddisfare i requisiti esigenti del collisore."
Aggiunge: "Le mie congratulazioni vanno al team P³ e ai numerosi colleghi del PSI che hanno reso possibile questo risultato, insieme ai loro collaboratori del CERN, dell’IJCLab–Université Paris-Saclay e del KEK. Questo lavoro riflette anche il sostegno fondamentale fornito dal programma svizzero CHART, che contribuisce a sviluppare le competenze e le tecnologie avanzate necessarie per trasformare la visione dell’FCC in un progetto tecnicamente credibile."
Aumento di scala per l’FCC
Ora che i primi positroni sono stati prodotti con successo, i ricercatori aumenteranno l’intensità del fascio e ottimizzeranno il sistema. "Il nostro obiettivo è aumentare la produzione di positroni per soddisfare le specifiche dell’FCC e acquisire esperienza con questo tipo di sorgente di positroni", afferma Zennaro.
La sorgente di positroni fa parte di una più ampia collaborazione tra il PSI e il CERN sulla progettazione dell’iniettore dell’FCC – il sistema che produrrà, accelererà e preparerà i fasci di elettroni e positroni prima che entrino nel collisore. Nell’ambito del contributo della Svizzera attraverso la collaborazione Swiss Accelerator Research and Technology (CHART), il progetto si avvale dell’esperienza del PSI nella progettazione, realizzazione e gestione di impianti basati su acceleratori.
"Grazie all’esperienza e al know-how acquisiti con SwissFEL, possiamo contribuire alle innovazioni necessarie per i futuri collisori elettrone-positrone", commenta Craievich. "Le dimensioni sarebbero molto maggiori. Per SwissFEL abbiamo costruito 120 strutture a radiofrequenza. Per l’iniettore dell’FCC ne occorrerebbero 440."
Tecnologia per il futuro
Al di là dei collisori elettrone-positrone come l’FCC, le singole tecnologie hanno applicazioni più ampie. Ad esempio, i magneti superconduttori ad alta temperatura sono in grado di mantenere in modo affidabile campi elevati a temperature più elevate, consentendo un risparmio sul consumo energetico per il raffreddamento criogenico rispetto ai magneti superconduttori a bassa temperatura: "È la prima volta al mondo che i magneti superconduttori ad alta temperatura vengono utilizzati in un acceleratore reale", afferma Craievich. "In futuro, questa tecnologia verrà probabilmente impiegata negli acceleratori in funzioni quali i magneti di curvatura."
La tecnologia dei magneti sviluppata al PSI è inoltre oggetto di studio per applicazioni nella tecnologia medica, tra cui i magneti per gantry nella terapia protonica, e nella ricerca sulla fusione.
Testo: Istituto Paul Scherrer/Miriam Arrell