Large Hadron Collider by Davide Parrini

Che cosa è il Large Hadron Collider? Il Large Hadron Collider (comunemente abbreviato in LHC) è l’ultimo acceleratore di particelle, attualmente nelle fasi finali di costruzione, del centro di ricerca CERN di Ginevra, che servirà per collisioni tra protoni e tra ioni pesanti. Lhc conterrà due fasci di particelle controrotanti, ognuno contenuto in un tubo separato, che verranno scambiati ad ogni ottavo di giro, in corrispondenza delle otto "stazioni" dove il tunnel si allarga in una caverna artificiale. Quattro di queste stazioni ospitano i quattro rivelatori di particelle principali dove avranno luogo gli esperimenti scientifici: si tratta di gigantesche macchine costruite intorno al punto di incrocio dei fasci, dove avverranno numerosissime collisioni fra particelle i cui prodotti saranno lanciati fuori dal tubo ed attraverseranno i rivelatori, dove saranno analizzati. Le altre quattro stazioni saranno utilizzate per funzioni tecniche, ed in queste l'incrocio dei fasci avverrà senza contatto fra di essi.

Come è Costituito l'esperimento e come funzionerà? Il progetto si servirà del lunghissimo tunnel costruito sotto terra, intorno alla città di Ginevra già usato in precedenza per il progetto del CERN dell’ Large Electron-Positron Collider (LEP). LHC userà campi magnetici generati da magneti superconduttori alla temperatura prossima a quella dello zero assoluto, per guidare nel tubo di accelerazione fasci di protoni. Le energie saranno le massime mai raggiunte in un acceleratore di particelle costruito dall'uomo. L’esperimento si svolgerà lanciando due fasci identici l'uno contro l'altro, l'energia della collisione nel centro di massa corrisponde alla somma delle energie delle due particelle arrivando sino a 1,4x1013 eV nel caso dei protoni. L'energia liberata in queste collisioni potrà riconvertirsi spontaneamente in massa, secondo il principio di Einstein, "estraendo dal vuoto" una o più particelle di natura differente da quelle dei fasci originari. Lo scopo principale degli studi sarà cercare fra queste particelle tracce dell'esistenza del bosone di Higgs (simmetrico del bosone w) e misurarne le proprietà: si ritiene che questa particella elementare abbia un ruolo chiave nella spiegazione dell'origine della massa di tutta la materia. Sono previsti sei esperimenti da effettuare con LHC: due di essi, ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) e CMS (Compact Muon Solenoid), riguardano due rivelatori di particelle di grandi dimensioni e largo spettro; altri due, LHCb e ALICE utilizzano due grandi rivelatori per misure dedicate ad un particolare aspetto della fisica delle particelle, gli ultimi due TOTEM e LHCf, sono di dimensioni più ridotte e ancora più specializzati. Possiamo quindi dire che LHC è un anello di accumulazione costruito con l’obiettivo di arrivare allo studio di collisioni frontali fra particelle, facendo concentrare l'energia del centro di massa. Non a caso il termine inglese inizialmente utilizzato per definire queste macchine era synchro-clash (clash = collisione) ma ora viene definito normalmente collider. parte 1

Schema dell'acceleratore

Come è Costituito l'esperimento e come funzionerà? Quindi lo svolgimento del progetto consisterà come già accennato nell'accelerazione di una particella elementare che però richiede un campo elettrico, mentre l’utilizzo dei campi magnetici, pur non compiendo lavoro su una carica in moto, possono modificare la direzione del suo moto nell’acceleratore, successivamente un anello di dipoli magnetici costringe le particelle a percorrere un'orbita approssimativamente circolare, mentre delle camere di accelerazione disposte lungo il percorso cedono effettivamente energia ai fasci. Il campo magnetico, e dunque la corrente che scorre nei dipoli, è direttamente proporzionale alla quantità di moto delle particelle e deve essere controllato con la precisione di una parte su centomila (nelle macchine più moderne). Per fare questo il campo elettrico viene prodotto generando una potente onda elettromagnetica stazionaria all'interno di cavità risonanti: dato che il campo è dunque per definizione oscillante, l'arrivo delle particelle all'interno della cavità deve essere sincronizzato con i momenti in cui il campo è orientato in modo da generare una forza nella direzione del moto (questo è il senso del nome sincrotrone). Ne segue ovviamente che le particelle devono essere concentrate in "pacchetti", tecnicamente detti bunch, che percorrono l'orbita allineati l'uno dietro l'altro e con una spaziatura prefissata. Inoltre, la frequenza dell'onda stazionaria dovrebbe essere modificata in funzione della velocità con cui le particelle percorrono l'orbita: questo non è un problema rilevante per LHC dato che le particelle iniettate sono già estremamente prossime alla velocità della luce quando vengono espulse dal super proton syncroton. La potenza installata per l'accelerazione a LHC è abbastanza modesta: l'intera macchina utilizza solo sedici cavità (8 per fascio), collocate alla stazione 4, alimentate da klystron da 300 kW. Questo è possibile perché i protoni, particelle relativamente ricche di massa, anche alle energie di LHC producono poca radiazione di sincrotrone a causa dell'accelerazione centripeta dei dipoli. Il fattore limitante per le prestazioni di LHC non è la capacità di immettere nel fascio più energia di quanta esso ne perde, ma quella di costringerlo in orbita: ovvero il campo magnetico dei dipoli, che sono stati realizzati con bobine superconduttive allo frontiera delle possibilità in queste discipline. parte 2

Quanta energia verrà prodotta? L'energia immagazzinata nei vari dispositivi che compongono LHC e nel fascio stesso, in condizioni di funzionamento, sarà estremamente elevata e potenzialmente in grado di danneggiare gravemente la macchina se venisse liberata accidentalmente: per questo motivo, il funzionamento dell'apparato dovrà essere costantemente supervisionato dai tecnici e da un avanzato Machine Protection System in grado di rilevare automaticamente anomalie nel funzionamento e procedere alle opportune azioni correttive, se necessario nel giro di pochi microsecondi. In caso di malfunzionamenti seri i computer ordineranno un beam dump, ovvero la deviazione immediata di ogni fascio fuori dell'anello e all'interno di un tubo rettilineo che lo porterà a colpire un apposito bersaglio in una zona dove non possa fare danni. Il sistema di dump è collocato alla stazione 6. Uno degli incidenti più comuni potrebbe essere il quench di un magnete di guida superconduttore, ovvero il surriscaldamento di una parte del suo avvolgimento che porti alla perdita della superconduttività: quando questo accade, la corrente circolante viene rapidamente dissipata e il magnete cessa di funzionare. In queste condizioni, LHC non può operare e il dump è obbligatorio. parte 1

Quanta energia verrà prodotta? Anche la minima frazione di particelle che viene normalmente persa dall'acceleratore durante il funzionamento potrebbe essere sufficiente a provocare dei quench: per questo motivo, nelle zone di collimazione del fascio (stazioni 3 e 7) sono collocati degli schermi mobili che dovrebbero intercettare le particelle uscenti dal fascio prima che tocchino un magnete o qualunque altra parte vitale della macchina. Con una corrente di fascio prevista di 530 milliampere ed un'energia di 7 TeV, la potenza istantanea liberata da ognuno dei due fasci sarà di quasi 4000 gigawatt: durante un'espulsione di emergenza i blocchi di assorbitore dovranno sopportare questa potenza per 91 microsecondi, durante i quali sarà liberata un'energia totale di 362 megajoule, corrispondente all'esplosione di 86 kg di tritolo. I collimatori posizionati nelle stazioni 3 e 7, oltre ad assorbire il flusso di particelle perse in condizioni normali come già detto, possono resistere fino ad un "colpo" completo dell'Super Proton Synchrotron,nel caso possibile di un errore in fase di iniezione che porti alla non cattura del fascio in ingresso (energia di 2,4 megajoule). Quando questo collaudo è stato effettuato, in concomitanza all'impatto del fascio dei microfoni posti nel tunnel hanno registrato un rumore simile ad un colpo d'arma parte 2

Che cosa si vuole trovare con LHC? Oltre all’obiettivo di indagare sul bosone di Higgs, i fisici vogliono condurre molte altre ricerche come per esempio scoprire l’orgine della materia e sapere cosa solo la materia oscura e l’energia oscura, inoltre si vorrebbe verificare la teoria delle stringhe, di conseguenza scoprire le altre dimensioni che essa afferma e la supersimmetria quindi scoprire se esistono le particelle supersimmetriche. Inoltre generando una cosidettà zuppa di quark e gluoni primordiale si verificherà l'origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo, queste sono alcune delle possibilità che l’lhc ci potrebbe dare per indagare la materia. Le esperienze che saranno effettuate con questo esperimento produrranno enormi quantità di dati, circa 10 Pebibyte di dati per anno. L'unico modo che è stato trovato per rendere trattabile questa quantità di dati (dovrebbe corrispondere al 10% della massa di dati prodotti annualmente sulla Terra) prevede che venga utilizzata la tecnologia del sistema Grid (sistema di comunicazione tra i calcolatori, in pratica una nuova tecnologia di rete) per smistare i dati stessi in sistemi di archiviazione ed elaborazione installati nei laboratori, almeno 200, che saranno impegnati in queste ricerche.

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