Nel Large Hadron Collider, l'acceleratore di particelle più potente al mondo, è entrato in funzione permanente uno strumento diagnostico innovativo che risolve un paradosso della fisica degli acceleratori: come misurare le proprietà di un fascio di particelle ad altissima energia senza perturbarlo. Il dispositivo, denominato Beam Gas Curtain monitor, è stato sviluppato nell'arco di un decennio dal QUASAR Group dell'Università di Liverpool e rappresenta un traguardo significativo per la diagnostica dei fasci, con applicazioni che si estendono ben oltre l'LHC del CERN. La sua approvazione per l'uso continuativo, circa 2.000 ore all'anno, segna il passaggio da prototipo sperimentale a componente integrata nelle operazioni quotidiane dell'acceleratore più complesso mai costruito.
La sfida tecnica affrontata dai ricercatori britannici è tutt'altro che banale. Gli acceleratori di particelle moderne come l'LHC operano con fasci di protoni o ioni pesanti che raggiungono energie dell'ordine dei teraelettronvolt, e mantenere la qualità di questi fasci richiede un monitoraggio costante e preciso. I metodi tradizionali presentavano però limiti evidenti: richiedevano l'interruzione degli esperimenti di fisica per eseguire misurazioni dedicate oppure necessitavano di lunghe procedure di calibrazione. Il Beam Gas Curtain risolve elegantemente questo dilemma attraverso un approccio non invasivo che sfrutta l'interazione tra il fascio e un velo ultrasottile di gas nobile.
Il principio di funzionamento del BGC si basa sulla creazione di una "tenda" supersonica di neon, uno strato di gas estremamente sottile che attraversa il percorso del fascio circolante. Quando i protoni o gli ioni di piombo attraversano questa cortina gassosa, generano deboli lampi di luce di fluorescenza che vengono catturati da un sofisticato sistema ottico. L'analisi di questa radiazione fornisce informazioni dettagliate sulla dimensione trasversale del fascio e sulla sua emittanza, un parametro fondamentale che quantifica la qualità e la focalizzazione del fascio stesso. La peculiarità del sistema è la capacità di operare in modo continuo durante l'intero ciclo di accelerazione, dall'energia di iniezione di 450 GeV fino al picco massimo di 6.8 TeV, senza interferire con gli esperimenti in corso presso i rivelatori principali dell'LHC.
La validazione scientifica del sistema è documentata in uno studio pubblicato su Physical Review Research, che presenta i primi risultati completi di misurazioni non invasive dell'emittanza del fascio attraverso l'intero ciclo operativo dell'LHC utilizzando la tecnica della cortina di gas. L'équipe guidata da O. Sedlacek ha dimostrato che i dati raccolti dal BGC concordano strettamente con quelli ottenuti da sistemi diagnostici indipendenti già operativi al CERN, come il Beam Synchrotron Radiation Telescope e le scansioni di emittanza condotte presso gli esperimenti ATLAS e CMS. Questa convergenza di risultati da tecnologie differenti conferma l'affidabilità del nuovo strumento e ne convalida l'integrazione nell'arsenale diagnostico dell'acceleratore.
Il percorso che ha portato dall'idea iniziale all'implementazione operativa si è esteso per quasi due decenni sotto la direzione del professor Carsten P. Welsch, responsabile del QUASAR Group presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Liverpool e il Cockcroft Institute. Il progetto ha coinvolto diverse generazioni di dottorandi e ricercatori, richiedendo sviluppi complessi in molteplici ambiti: dalla compatibilità con il vuoto ultra-alto necessario negli acceleratori alla progettazione del sistema ottico, dall'integrazione software alla messa in servizio sul campo. Prima dell'installazione definitiva al CERN, il sistema ha subito test approfonditi presso il Cockcroft Institute, dimostrando prestazioni superiori alle aspettative sia con fasci di protoni che con fasci di ioni pesanti.
Le implicazioni di questo sviluppo tecnologico si estendono oltre le applicazioni immediate all'LHC. Il successo del Beam Gas Curtain apre la strada all'adozione di sistemi analoghi in altre grandi infrastrutture di ricerca internazionali, tra cui la European Spallation Source in Svezia, progettata per produrre neutroni per indagini sulla materia, e l'Electron Ion Collider negli Stati Uniti, che studierà la struttura interna dei protoni e dei neutroni. La tecnologia trova potenziali applicazioni anche nel campo degli acceleratori medicali utilizzati per terapie oncologiche con fasci di particelle, dove il controllo preciso della qualità del fascio è critico per la sicurezza e l'efficacia dei trattamenti.
Secondo il dottor Hao Zhang, vice responsabile del QUASAR Group, l'integrazione completa del monitor nelle operazioni quotidiane dell'LHC rappresenta il coronamento di anni di ricerca e sviluppo, dalla progettazione teorica fino alla realizzazione pratica di un sistema complesso in un ambiente operativo tra i più esigenti al mondo. Questo caso dimostra come la ricerca condotta in ambito universitario possa tradursi in innovazioni concrete che contribuiscono direttamente al funzionamento delle più grandi infrastrutture scientifiche globali. Con l'LHC che continuerà a operare fino agli anni '40, producendo collisioni ad energie sempre più elevate nel quadro del programma High-Luminosity LHC, strumenti diagnostici avanzati come il Beam Gas Curtain diventeranno sempre più essenziali per garantire la qualità dei dati raccolti dai rivelatori e, in definitiva, per spingere avanti le frontiere della fisica delle particelle.