Non lontano dal lago di Ginevra, il CERN (European Laboratory for Particle Physics) gestisce il più grande acceleratore di particelle al mondo: il Large Hadron Collider (LHC). I ricercatori utilizzano l'accelerazione delle particelle per indagare su questioni fisiche fondamentali e cercare di determinare la composizione della materia scura, ad esempio. Hanno già dimostrato l'esistenza del bosone di Higgs, la "particella di Dio", che conferisce a tutte le altre particelle elementari la loro massa.
Rivelatori di dimensioni eccezionali
L’acceleratore di particelle LHC è un enorme tunnel sotterraneo lungo circa 27 chilometri, costellato da quattro punti di misurazione, tra cui due rivelatori ad uso generale: ATLAS e CMS. Gli imponenti cilindri, che pesano quanto la Torre Eiffel, sono collocati all’interno di gigantesche caverne sotterranee. Per i ricercatori, rappresentano una vera finestra sui segreti dell’universo.
Il rivelatore ATLAS è stato sviluppato per individuare nuove particelle generate dalle collisioni frontali tra protoni. Le ricerche contribuiscono agli studi sulle dimensioni extra, sull’unificazione delle forze e sulla materia oscura.
Il rivelatore CMS è stato sviluppato per studiare le particelle prodotte nelle collisioni protone‑protone e nelle collisioni di ioni pesanti. I ricercatori vogliono trovare risposte a domande fondamentali come: «Perché il mondo è fatto in questo modo?», «Perché alcune particelle hanno una massa maggiore di altre?» e «Di cosa è composta la materia oscura dell’universo?».
Per svelare ciò che l’universo cela, ATLAS e CMS impiegano misurazioni di altissima precisione, capaci di rilevare con accuratezza la traiettoria, il momento e l’energia delle particelle rilasciate. I rivelatori sono ricoperti da moduli di sensori al silicio (ciascuno di oltre cento metri quadrati) che registrano le collisioni tra particelle, le quali generano oltre un miliardo di interazioni al secondo.
Immagine a sinistra: I rilevatori ATLAS e CMS del laboratorio CERN in Svizzera utilizzano misurazioni di alta precisione per registrare la traiettoria, il momento e l’energia delle particelle rilasciate. Il rivelatore CMS studia le particelle prodotte nelle collisioni protone‑protone e nelle collisioni di ioni pesanti. Credito immagine: CERN
Immagine a destra: Il rivelatore ATLAS consente l’identificazione di particelle prodotte nelle collisioni frontali tra protoni. I risultati ottenuti alimentano ricerche sulle dimensioni extra, sull’unificazione delle forze e sulla natura della materia oscura. Credito immagine: CERN
Raffreddamento
Per garantire l’accuratezza delle misurazioni e impedire che i sensori in silicio vengano danneggiati dalle alte dosi di radiazioni, è fondamentale operare a temperature fino a -55 °C. A questo si aggiunge il calore generato da elettronica e sensori, che deve essere efficacemente smaltito.
Durante la pausa operativa prevista dal 2026 al 2029, l’LHC e i suoi esperimenti affronteranno un importante processo di upgrade. Tra gli interventi principali figura il rinnovo totale dei rivelatori al silicio per il tracciamento.
"ATLAS e CMS utilizzeranno un sistema di raffreddamento a CO2 bifase per tutti i loro tracker al silicio e per i calorimetri alle estremità. Questo sistema garantisce un’elevata capacità di trasferimento del calore, una bassa viscosità e un intervallo di temperature ideale per il funzionamento del rivelatore,” spiega Jérôme Daguin, Cooling Engineer e CMS Cooling Coordinator del CERN.
L'impianto di refrigerazione si baserà su unità modulari parallele che fanno circolare la CO2 attraverso speciali evaporatori. Ogni modulo di raffreddamento sarà dotato di una pompa a membrana speciale per far circolare la CO2 liquida.
Per introdurre il fluido di raffreddamento in modo preciso e sicuro, il CERN sta collaborando nuovamente con gli esperti di LEWA, un brand parte di Atlas Copco Group. Le pompe dosatrici a membrana LEWA di diverse dimensioni saranno utilizzate per alimentare in modo preciso e costante la CO2 liquida utilizzata nel circuito di raffreddamento.
Spingersi oltre i limiti
Le pompe dosatrici a membrana sono state testate specificamente in base ai requisiti del CERN. Né il CERN né LEWA volevano lasciare nulla al caso quando si trattava di garantire il trasporto senza errori del sofisticato mezzo di raffreddamento dalle caverne di servizio ai rivelatori. Sono stati realizzati diversi prototipi della versione remota adattata, che hanno funzionato come banchi di prova in condizioni reali. Sono stati prima testati con acqua, poi puliti con etanolo e successivamente testati in funzionamento continuo con CO2.
"È stato importante implementare una soluzione robusta e duratura. L'elenco dei requisiti era piuttosto ambizioso e richiedeva alcuni adattamenti molto particolari", spiega Wieland Wolff, Area Sales Manager di LEWA.
Ad esempio, le guarnizioni esistenti della versione base sono state prima validate e poi sostituite con versioni più adatte. Per evitare che, dopo l’installazione in sito, gli allarmi di rilevamento della CO2si attivassero accidentalmente, le unità ermeticamente sigillate sono state inoltre rivestite con il fluoropolimero PTFE nei punti critici. Inoltre, l’unità di azionamento e la testa motrice sono state modificate per fornire punti di misura adeguati agli strumenti del CERN.
Inoltre, la temperatura trasmessa all’unità di azionamento non deve scendere sotto i -20 °C. A tal fine, gli ingegneri LEWA hanno aggiunto una linea di ricircolo in cui l’olio idraulico può riscaldarsi, impedendo alla CO2 a -55 °C di raggiungere l'unità di azionamento.
Il processo dell'acceleratore di particelle LHC si basa su temperature fredde ottenute con le pompe dosatrici a membrana di LEWA, un brand di Atlas Copco Group.
Vantaggi reciproci
Il grande lavoro preparatorio ha dato i suoi frutti e LEWA ha iniziato a consegnare il primo lotto di un totale di 18 pompe ecoflow LDG.
Le pompe sono installate lontano dai rivelatori, nelle caverne di servizio, al di fuori delle aree soggette a radiazioni e campi magnetici presenti nelle caverne sperimentali. Ciò consente di controllarle dalla control room tramite la regolazione elettrica della corsa e un inverter di frequenza, eliminando la necessità della presenza di personale in loco.
Al termine dell’attuale periodo di fermo, le pompe installate raffredderanno l’elettronica e i sensori al silicio attraverso una complessa rete di linee di trasferimento, collettori di distribuzione e piccoli tubi di raffreddamento.
Ulteriori informazioni sono disponibili all'indirizzo: www.lewa.com e www.atlas.cern
