Il Large Hadron Collider (LHC) è un acceleratore di particelle, attualmente nelle fasi finali di costruzione presso il CERN di Ginevra per collisioni tra protoni e tra ioni pesanti.
LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente mai realizzato realizzato dall'uomo, progettato per far collidere protoni ad un'energia nel centro di massa di 14 TeV, mai raggiunta fino ad ora in laboratorio. È costruito all'interno di un tunnel sotterraneo lungo 27 km situata al confine tra la Francia e la Svizzera, originariamente scavato per realizzare il Large Electron-Positron Collider (LEP).
I componenti più importanti di LHC sono gli oltre 1600 i magneti superconduttori raffreddati alla temperatura di 1,9 °K (-271,25 °C) da elio liquido superfluido che realizzeranno un campo magnetico di circa 8 Tesla, necessario a mantenere in orbita i protoni all'energia prevista. Il sistema criogenico di LHC è il più grande che esista al mondo.
L'entrata in funzione del complesso, inizialmente prevista per la fine del 2007, è stata spostata all'estate del 2008, inizialmente ad un'energia inferiore di 10 TeV.
La macchina accelererà due fasci di particelle che circoleranno in direzioni opposte, ciascuno contenuto in un tubo a vuoto, che collideranno in quattro punti lungo l'orbita, in corrispondenza di caverne nelle quali il tunnel si allarga per lasciare spazio a grandi sale sperimentali. In queste stazioni vi sono i quattro principali esperimenti di fisica delle particelle: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb ed ALICE. Si tratta di enormi apparati costituiti da numerosi rivelatori che utilizzano tecnologie diverse e opereranno intorno al punto in cui i fasci collidono. Nelle collisioni saranno prodotte, grazie alla trasformazione di una parte dell'altissima energia in massa, numerosissime particelle che attraverseranno rivelatori e le cui proprietà saranno misurate dai rivelatori.
Tra gli scopi principali degli studi sarà cercare fra queste particelle tracce dell'esistenza del bosone di Higgs e di nuove particelle.
Il programma scientifico di LHC prevede anche la collisione tra ioni pesanti. Nuclei di piombo potranno essere accelerati all'energia di 2,7 TeV per nucleone, corrispondente a 575 TeV per nucleo.
Esperimenti ad LHC
Il programma scientifico di LHC prevede sei esperimenti, attualmente per gran parte installati, ed nella fase finale di collaudo. I due esperimenti più grandi sono ATLAS[7] (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid) che sono rivelatori di enormi dimensioni ed avanzata tacnologia realizzati da collaborazioni internazionali comprendenti oltre 2000 fisici. L'esperimento LHCb è invece progettato per studiare la fisica dei mesoni B, mentre ALICE è ottimizzato per lo studio delle collisioni tra ioni pesanti. I due rivelatori più piccoli sono TOTEM e LHCf, specializzati per studiare le collisioni che producono particelle a piccolo angolo rispetto alla direzione dei fasci.
Finalità Scientifiche
I fisici di tutto il mondo si propongono di utilizzare LHC per avere risposte a varie questioni che reputano fondamentali per il proseguimento dell'indagine fisica.
- Qual è l'origine della massa? In particolare, esiste il bosone di Higgs, particella prevista nel Modello Standard per dare origine alle masse delle particelle?
- Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del plasma di quark e gluoni si verificherà l'origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo?
- Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs?
- Sappiamo ora che il 95% della massa dell'universo è costituita da materia simile a quella che conosciamo da tempo. Di che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e l'energia oscura?
- Esistono le particelle supersimmetriche (SUSY)?
- Esistono altre dimensioni oltre alle tre spaziali e quella temporale, come previste da vari modelli di teoria delle stringhe?
- Quali sono le caratteristiche della violazione di CP che possono spiegare l'asimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi assenza di antimateria nell'universo?
- Cosa si può conoscere con maggiori dettagli di oggetti già noti (come il quark top)?
Tecnologie
LHC è un anello di accumulazione, un'evoluzione del sincrotrone volta a permettere lo studio di collisioni frontali fra particelle, massimizzando l'energia del centro di massa. Non a caso il termine inglese inizialmente utilizzato per definire queste macchine era synchro-clash (clash = collisione). Attualmente il termine più frequentemente utilizzato è collider.
L'accelerazione di una particella elementare richiede un campo elettrico, mentre i campi magnetici, pur non compiendo lavoro su una carica in moto, possono modificare la direzione del suo moto: nel sincrotrone, dunque, un anello di dipoli magnetici costringe le particelle a percorrere un'orbita approssimativamente circolare, mentre delle cavità a radiofrequenza 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).
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 dall' SPS.
In condizioni di completa operatività la spaziatura fra due bunch in LHC sarà di circa 7,5 metri, corrispondente ad un intervallo temporale di 25 nanosecondi.
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 massive, anche alle energie di LHC producono poca radiazione di sincrotrone a causa dell'accelerazione centripeta dei dipoli (solo 3,7 kW emessi da un intero fascio). 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 alla frontiera delle possibilità in queste tecnologie.
Nel caso del precedente apparato LEP, l'ordine di priorità era esattamente inverso: l'intensità di campo dei dipoli non era affatto critica, tanto che questi poterono essere realizzati con semplici piastre di acciaio immerse in cemento, mentre il mantenimento dell'energia del fascio richiese l'installazione di centinaia di camere di accelerazione e un consumo elettrico rilevantissimo (nell'ordine delle centinaia di megawatt). È per questo motivo che LHC è stato progettato come collisionatore di adroni.
Ciononostante, le scarse perdite per radiazione dei fasci di LHC non possono essere ignorate, anche se la ragione per cui sono problematiche è fondamentalmente differente. Le pur scarse emissioni potrebbero infatti essere sufficienti a surriscaldare i magneti, che operano con un solo grado Kelvin di margine rispetto alla temperatura critica per la perdità della superconduttività. Per questa ragione è stato necessario prevedere apposite schermature e una linea di raffreddamento dedicata per l'esterno delle beamline (i tubi di fascio).
Energie in gioco
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.
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 dei collimatori 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'SPS, nel caso possibile di un errore in fase di iniezione che porti alla non cattura del fascio in ingresso (energia di 2,4 megajoule)[12]. 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 da fuoco.
Trattamento dei dati
Le esperienze che saranno effettuate con questa macchina produrranno enormi quantità di dati, circa 10 Pebibyte di dati per anno. L'unico modo per rendere trattabile questa mole di dati (dovrebbe corrispondere al 10% della massa di dati prodotti annualmente sulla Terra) prevede che vengano utilizzati i canali veloci di trasmissione del sistema Grid per smistare i dati stessi in sistemi di archiviazione ed elaborazione installati nei laboratori, almeno 200, che saranno impegnati in queste ricerche.
Inoltre, bisogna sottolineare che la massa dei dati effettivamente immagazzinata ed analizzata sarà molto inferiore al flusso di misure grezze in uscita dai rivelatori: difatti, la massima parte degli eventi che verranno osservati saranno certamente di natura ben nota e di nessun interesse pratico. Un complesso sistema di rivelatori dedicati ed elaboratori elettronici organizzato in vari stadi, detti stadi di trigger, eliminerà la stragrande maggioranza delle rilevazioni, conservando solo i dati degli eventi ritenuti potenzialmente interessanti in base ad una serie di condizioni specificate dagli sperimentatori.
Nel caso di ATLAS, ad esempio, l'elettronica del primo stadio di trigger sarà collocata in una sala a pochi metri della caverna sperimentale, poiché un tragitto più lungo dei dati (per quanto percorso a velocità simili a quelle della luce) introdurrebbe un ritardo inaccettabile per questo stadio, che deve selezionare da 40 milioni di collisioni al secondo una media di 100.000 eventi. Dopo l'esame del terzo stadio, solo 200 eventi al secondo dovrebbero essere registrati e trasmessi alle strutture di analisi successive.
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