100 metri sotto terra

Analisi automatizzata dell'aria al CERN con l'unità di valvole VTSA di Festo

Nel più grande laboratorio di ricerca per la fisica delle particelle, il CERN, migliaia di scienziati stanno decifrando enigmi di fisica precedentemente irrisolti. La tecnica dell'automazione, utilizzata in modo intelligente e flessibile, supporta efficacemente la ricerca scientifica. L'unità di valvole Festo VTSA controlla i processi di analisi dell'esperimento interno e dell'aria della caverna sul rilevatore "Compact Muon Solenoid" (CMS).

Nel profondo sottosuolo, vicino al Lago di Ginevra, enormi rivelatori presso l'acceleratore di particelle "Large Hadron Collider" (LHC) del CERN (Organizzazione europea per la fisica delle particelle ad alta energia) setacciano il flusso di particelle subatomiche e raccolgono enormi quantità di dati che vengono valutati da potenti algoritmi. Le moderne tecnologie rendono visibile su larga scala ciò che tiene insieme il cosmo così come lo conosciamo su piccola scala.

L'esistenza della materia

Una pietra miliare nella fisica delle particelle è stata la scoperta della particella subatomica, la cosiddetta particella di Higgs, nel 2012 al CERN. Gli scienziati Robert Brout, François Englert e Peter Higgs ne avevano predetto l'esistenza già negli anni '60. Secondo il modello standard della fisica accettato all'epoca, non esisteva massa in senso stretto. Le particelle subatomiche dovrebbero effettivamente muoversi alla velocità della luce. Tuttavia, come appena detto, ciò non conferirebbe loro alcuna massa. Tuttavia, i tre ricercatori hanno sviluppato la teoria del campo di Higgs. Il campo di Higgs rallenta le particelle più piccole, paragonabili a sfere che volano attraverso il miele, e conferisce loro inerzia e quindi massa, secondo l'ipotesi. E infatti, 50 anni dopo, era giunto il momento: negli esperimenti nell'LHC i protoni sono stati accelerati quasi alla velocità della luce in modo da entrare in collisione tra loro. Dal campo di Higgs si sono distaccate particelle di Higgs che erano erano misurabili e, quindi, effettivamente rilevabili. L'esistenza della materia è stata dimostrata. Higgs ed Englert hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica per la loro teoria nel 2013, Brout è morto nel 2011.

Il più grande del suo genere

Ricerca al CERN significa lavoro scientifico in dimensioni mozzafiato. Fondato nel 1954, il centro di ricerca, finanziato da 22 paesi con quasi un miliardo di euro all'anno, impiega oggi più di 2.500 scienziati. Oltre 12.000 scienziati ospiti provenienti da tutto il mondo stanno lavorando agli esperimenti del CERN. Il più grande laboratorio di fisica delle particelle del mondo gestisce diversi acceleratori accoppiati che forniscono diversi tipi di particelle per una varietà di esperimenti. Questi includono muoni per la ricerca sulla struttura del protone, ioni pesanti per creare nuovi stati della materia e fasci di ioni radioattivi per osservare nuclei esotici.

L'acceleratore di particelle più grande e potente al mondo è l'LHC. Si trova a circa 100 metri sottoterra in un tunnel circolare di circa 27 chilometri di circonferenza. L'LHC utilizza forti campi elettrici per trasferire energia ai fasci di particelle e guida i fasci attraverso il sistema utilizzando campi magnetici. Le particelle assorbono sempre più energia di accelerazione fino a quando orbitano intorno all'LHC quasi alla velocità della luce (11.245 volte al secondo). Se entrano in collisione, quattro enormi rilevatori (CMS, ATLAS, ALICE e LHCb) registrano ciò che sta accadendo.

L'acceleratore di particelle LHC si trova nella zona di confine tra Francia e Svizzera ed è profondo circa 100 metri.

L'acceleratore di particelle LHC si trova al confine tra Francia e Svizzera ed è profondo circa 100 metri.

La sicurezza viene sempre prima di tutto

Il rilevatore CMS è un dispositivo di rilevamento tecnologicamente avanzato con una lunghezza di 21 metri, un diametro di 15 metri e un peso di 12.500 tonnellate. Composto da 100 milioni di singoli elementi di misura, esegue fino a 40 milioni di misurazioni al secondo ed è considerato uno degli strumenti scientifici più complessi e precisi mai costruiti. Per evitare errori di misurazione, tutti i fattori di influenza devono rientrare nelle tolleranze definite.

Questi fattori influenzanti includono anche la composizione dell'ambiente e dell'aria respirabile nelle caverne sotterranee dell'esperimento. Per questo motivo, l'aria viene continuamente estratta e analizzata in più di 100 punti di misurazione all'interno e all'esterno del rilevatore al fine di determinare se la condizione è costantemente perfetta. Cià è importante soprattutto perché "Compact", come contenuto nel nome dell'esperimento CMS, significa anche che non puoi intervenire rapidamente ovunque e in ogni punto. In caso di situazione critica, come una fuga di gas o un incendio all'interno del rilevatore, occorrerebbero fino a 2 settimane per accedere alle aree interne tramite aperture di emergenza.

Automatizzazione intelligente

In passato, ogni singolo punto di estrazione dell'aria aveva il proprio analizzatore, il che comportava costi elevati. Anche lo sforzo di manutenzione e il possibile tasso di errore erano troppo elevati per gli standard CERN. Dall'inizio del 2016, le unità di valvole del tipo VTSA garantiscono che i flussi d'aria siano guidati il più rapidamente possibile verso i dispositivi di analisi. La nuova soluzione riduce il numero di dispositivi di analisi richiesti di un fattore 10. I flussi d'aria vengono ora riuniti centralmente e assegnati ai dispositivi di analisi a valle. Le valvole principali del VTSA, pilotate da aria compressa, hanno il vantaggio di essere insensibili al magnetismo del rivelatore CMS. Per l'utilizzo al CERN, l'unità di valvole è stata configurata per soddisfare le esigenze individuali. L'adattamento tecnico più importante: il funzionamento reversibile.

Nel funzionamento normale, l'aria da analizzare viene guidata attraverso una linea di misura attraverso l'unità di valvole fino alla stazione di analisi a valle. Allo stesso tempo, tutte le altre linee di misura lunghe un metro vengono aspirate permanentemente in modalità di pressione negativa. Quando si passa al cavo misurazione successivo, l'aria ambiente attuale si trova quindi direttamente sulla rispettiva valvola. Grazie a questa applicazione flessibile, i componenti standard di alta qualità del VTSA offrono una soluzione tecnica intelligente che offre al CMS un aumento sostenibile dell'efficienza in termini di prestazioni e costi.

Piccolo passo, grande futuro

Il progetto congiunto di analisi automatizzata dell'aria è iniziato nell'agosto 2015. Le unità sono state consegnate alla fine di ottobre. Il nuovo sistema è entrato in funzione all'inizio del 2016. "Abbiamo scelto Festo come fornitore di questa tecnologia perché da anni utilizziamo i prodotti Festo con nostra piena soddisfazione al CERN e CMS", spiega Gerd Fetchenhauer, CMS Gas Safety Officer al CERN.

In precedenza, si acquistavano prevalentemente singoli componenti, ma la soluzione di sistema pronta per l'installazione è la prima del suo genere nella cooperazione di lunga data tra Festo e CERN e può costituire la base per applicazioni simili in altri rivelatori nel Large Hadron Collider. In modo che tanti piccoli passi portino a nuove, grandi scoperte scientifiche in futuro.


www.cern.ch

  1. Questo articolo è apparso nella rivista per i clienti Festo trends in Automation 2.2016

    Foto: CERN

settembre 2016

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