Chiacchiere di particelle e scienza con gli studenti di Torino

YoungforSTEM_Delmastro_AvogadroMercoledì scorso, complici le vacanze post-pasquali, sono stato a Torino a discutere di fisica delle particelle con gli studenti dell'IIS Avogadro e del Liceo Cattaneo. L'evento è nato un po' per caso qualche mese fa, alla fine di una della presentazioni di Particelle familiari, quando sono stato gentilmente avvicinato da Roberta Balestrino e Cristina Vinattieri di Young for STEM, che mi hanno invitato a portare il LEGO e tutto il resto nelle loro scuole.

Per quello che posso dire io, l'incontro è stato interessante e simpatico. Grazie dunque a Roberta e Cristina, Faustina Tondolo e Tommaso De Luca, il preside dell'Avogadro, per la bella idea e l'ospitalità calorosa.

Foto di Matteo Giardino

Foto di Matteo Giardino

I miei ospiti hanno anche filmato l'incontro mandando persino in diretta lo stream del video. Se dunque voleste rivedere le mie pontificazioni, e soprattutto il botta-e-risposta con i ragazzi, metto il video dell'evento qui sotto. Le mie chiacchiere cominciano intorno al minuto 18 del video, ma vale la pena seguire anche l'allocuzione iniziale di Tommaso De Luca, e i saluti di Roberta Balestrino all'inizio.

Vi appiccico qui sotto anche le slide che ho usato per la mia chiacchiera iniziale, perché nel video non si vedono benissimo. Se poi tra i lettori ci fossero degli insegnanti interessati a organizzare qualcosa di analogo nelle proprie scuole, beh, sapete dove trovarmi, e possiamo parlarne. Il mio tempo libero è veramente limitato, ma magari troviamo un modo...

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Entrambi i fasci di LHC portati a 6.5 TeV!

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Senza troppo clamore mediatico, ieri, intorno all'ora di pranzo, entrambi i fasci di LHC hanno circolato al massimo dell'energia prevista quest'anno, 6.5 TeV! Il primo fascio aveva già raggiunto questo valore record la sera del 9 aprile, il secondo fascio l'ha raggiunto un paio di giorni dopo. Il che significa che l'allenamento di magneti del settore di LHC che ancora faceva le bizze è terminato, e che tutti i magneti sono ora in gradi di sopportare per un tempo sufficientemente lungo correnti adeguate a tenere in traiettoria protoni di queste energie. Bene!

Energie di 6.5 TeV per fascio significheranno collisioni a 13 TeV di energia nel centro di massa. Per le collisioni, però, serve ancora un po' di preparazione. Per ora i macchinisti stanno facendo circolare un solo pacchetto di protoni per fascio, per testare con cura il processo di accelerazione. Il prossimo passaggio consisterà nell'aumentare la popolazione del pacchetto, portandola al suo valore nominale previsto, 120 miliardi di protoni. A quel punto, una volta verificato che l'acceleratore sia in grado di mantenere in orbita alla massima energia un pacchetto così popoloso, i macchinisti aumenteranno gradualmente il numero dei pacchetti, formando per ogni fascio un vero e proprio treno di mucchietti di protoni.

Per le prime collisioni circoleranno soltanto 3 pacchetti da 120 miliardi di protoni per fascio, mentre per le vere e proprie operazioni, se tutto va bene, ogni fascio ospiterà un treno di più di 2800 pacchetti! Tenete d'occhio queste pagine, oppure il sito del commissioning di LHC, per aggiornamenti sui prossimi passi. Nei prossimi giorni, tempo permettendo, proverò a raccontarvi perché collisioni a 13 TeV siano necessarie per provare a individuare nuovi fenomeni non previsti dal Modello Standard, e perché ne servano così tante.

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LHC è ripartito (un settore alla volta, spruzzando protoni, a bassa energia)

Se durante le libagioni pasquali avete gettato lo sguardo su qualche social network, probabilmente avete già intercettato la notizia. La mattina di Pasqua, dopo aver risolto i problemi che ne avevano ritardato la partenza, LHC ha finalmente ripreso le attività: i primi protoni sono circolati nell'acceleratore, e hanno attraversato (e colpito!) i quattro esperimenti.

Se volete rivivere l'emozione della ripartenza, vi lascio andare a rileggere la cronaca in diretta. Qui invece proverò a chiarire un paio di aspetti di quello che è successo ieri, a spiegare che cosa è stato fatto e perché, e a dirvi come le cose dovrebbero evolvere nelle prossime settimane.

Un settore per volta. I protoni che circolano dentro LHC viaggiano a velocità prossime a quelle della luce (quanto prossime? Dipende dalla loro energia: qualche anno fa avevamo fatto insieme i calcoli). All'energia nominale dell'acceleratore, percorrono i 27 chilometri dell'anello ben 11000 volte al secondo. Lo ripeto, perché risuoni bene: percorrono un anello di ventisette chilometri undicimila volte al secondo! Come potete immaginare, a queste velocità non è banale mantenerne la traiettoria, ragione per cui LHC è dotato di una complesso sistema di controllo e "guida" dei fasci. Quando si (ri)accende un acceleratore di questo genere, i primi protoni non fanno dunque mai un giro completo al primo colpo, perché il sistema di controllo e guida deve essere (ri)tarato. Inizialmente i protoni avanzano un settore dell'acceleratore alla volta: ognuno degli otto settori che formano LHC viene aggiunto successivamente alla traiettoria, verificando di essere in grado di controllare il percorso corrispondente. Prima di concludere il primo giro completo, può dunque volerci parecchio tempo: potete quindi immaginare l'entusiasmo dei macchinisti quando, per la prima volta, i protoni tornano finalmente al punto di partenza. Nell'immagine qui sotto vedete due punti verdi su uno sfondo rosa: sono le tracce del passaggio di un pacchetto di protoni dallo stesso monitor di posizione: i protoni hanno fatto un giro completo, tornando (circa) nella stessa posizione! Evviva!

Un giro completo, e anche più! (immagine: CERN Control Centre)

Un giro completo, e anche più! (immagine: CERN Control Centre)

Una volta riusciti a controllare la circolazione dei fasci settore per settore, viene il momento dei "beam splash". L'idea è la seguente: si conduce un pacchetto di protoni fino alle soglie di uno dei punti dell'acceleratore dove alloggia un esperimento, e, per l'occasione, proprio in quel punto si tengono chiusi i collimatori del fascio. I collimatori sono delle finestre che servono a schermare quelle particelle del fascio che viaggiano troppo lontane dall'asse centrale, in modo che che solo quelle ben centrate vadano a collidere nel cuore degli esperimenti. Normalmente sono aperti a sufficienza perché la maggior parte dei protoni passi e giunga all'interno dei rivelatori: chiudendoli completamente, si mette invece una barriera tra tutte le particelle del fascio e il detector. Il risultato è che tutti i protoni sbattono contro la finestra chiusa, generando un enorme spray di particelle secondarie che investono il rivelatore... da un lato! Un evento di "beam splash" illumina dunque di particelle tutte le sezioni del rivelatori, sebbene le particelle arrivino dalla parte sbagliata: i "beam splash" giungono infatti dall'esterno del rivelatore, che è invece costruito per misurare le particelle prodotte da collisioni che avvengono al suo interno. Poco male: questi eventi non servono per studiare qualche fenomeno fisico, ma per verificare che i rivelatori funzionino: tutte le zone sensibili devono accendersi, e devono farlo al momento giusto. Le particelle prodotte nel "beam splash" attraversano infatti i rivelatori in lunghezza viaggiando circa alla velocità della luce, ovvero percorrendo  più o meno 30 centimetri in un nanosecondo. Gli estremi di un rivelatore come ATLAS sono separati da circa 40 metri, per cui la parte più prossima al collimatore colpito si accende decine di nanosecondi prima di quella più lontana. La misura dei tempi relativi dei vari segnali permette di verificare che tutte le parti del rivelatore siano in sincrono per particelle che arrivano dal cuore del detector. Qui sotto vedete un event display di ATLAS corrispondente a un "beam splash" di domenica mattina: il fascio arrivava da destra (i collimatori sono a circa 140 metri a monte e a valle del rivelatore, nel tunnel che precede e segue la caverna) e, come si nota, tutto il rivelatore si è in effetti acceso con un albero di Natale (o di Pasqua!).

(Immagine: ATLAS, CERN

(Immagine: ATLAS, CERN

I protoni che hanno attraversato LHC e i suoi rivelatori ieri viaggiavano all'energia di ingresso in LHC, quei 450 GeV a cui sono stati accelerati dal SPS. Il che significa che, per ora, LHC ha funzionato solo come una pista per protoni, dimostrando di riuscire a tenerli in traiettoria, ma non li ha ancora accelerati, né alle energie a cui ci ha abituati dal 2010 al 2012, né a quelle più alte a cui dovrebbe lavorare quest'anno. Le prossime settimane saranno dedicate proprio a salire gradualmente in energia, verificando che la macchina tenga la altissime correnti necessarie per curvare i protoni a quelle velocità, e che i fasci a quelle energie siano sufficientemente stabili. È un lavoro lungo e delicato, e, da quello che ne sappiamo oggi, per le collisioni vere e proprie, quelle con cui si misura la fisica, potremmo dover aspettare fino a maggio. Buona Pasquetta!

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Evaporato il cortocircuito, LHC è nuovamente ai blocchi di partenza

La ripartenza di LHC, che doveva avvenire la settimana scorsa, era stata posticipata a causa di un cortocircuito in uno dei magneti. Da quello che ne sapevamo fino a ieri, la riparazione del problema poteva prendere un periodo variabile da qualche giorno a qualche settimana: il problema è infatti localizzato in una zona fredda dell'acceleratore, alla quale non si può accedere direttamente senza riportarla a temperatura ambiente, un'operazione potenzialmente lunga.

Tra ieri e oggi, dopo giorni di misure e radiografie con i raggi X, i tecnici dell'acceleratore hanno identificato il problema, e, meglio ancora, lo hanno risolto! Il colpevole del cortocircuito era una pagliuzza di metallo rimasta bloccata in quella parte di uno magneti di LHC che ne ospita il diodo di protezione, che protegge il magnete in caso di quench. Dopo aver accarezzato l'idea di spazzare via il frammento metallico con un flusso controllato di elio, ieri i macchinisti hanno deciso invece di... bruciarlo. Hanno dunque fatto passare per qualche millisecondo attraverso la scatola che ospita il diodo di protezione una corrente di quasi 400 Ampere, nella speranza che, proprio come il filo di un fusibile, il frammento evaporasse. Dalle misure effettuate oggi, sembra proprio che le cose siano andate bene: il cortocircuito è sparito!

Il settore di LHC in cui si trovava il cortocircuito dovrà adesso essere dichiarato nuovamente pronto per le operazioni. I vari magneti dovranno passare da capo i test di tenuta alla corrente, dopodiché le operazioni che precedono la circolazione dei fasci potranno iniziare. Non c'è ancora un programma ufficiale, che dovrebbe venir reso pubblico nei prossimi giorni, ma nei corridoi c'è chi parla di fasci circolanti tra Pasqua e Pasquetta. Vedremo.

Radiografando i magneti di LHC alla ricerca del cortocircuito (foto di Maximilien Brice)

Radiografando i magneti di LHC alla ricerca del cortocircuito (foto di Maximilien Brice)

 

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Per il momento ancora niente fasci dentro LHC

Come sospettavamo già la settimana scorsa, il risveglio di LHC sta prendendo più tempo del previsto. C'è uno dei settori dell'acceleratore, infatti, dove in uno dei magneti appare in modo intermittente una connessione verso terra inaspettata (una "connessione verso terra inaspettata" è in buona sostanza un cortocircuito, un percorso conduttivo parassita che permetterebbe alla corrente di passare anche dove non dovrebbe). Di per sé non si tratta un problema difficile da risolvere: i macchinisti sembrano sapere bene quello che c'è da fare. Il problema, però, è che questa connessione capricciosa si trova nella zona fredda dell'acceleratore.

Per gli smemorati, "freddo" per LHC significa 1.9 gradi Kelvin, ovvero -271.3 gradi centigradi, più freddo persino che lo spazio interstellare. Per effettuare la riparazione, per semplice che sia, occorrerà dunque portare la zona incriminata a temperatura ambiente, per poi raffreddarla nuovamente una volta risolto il problema. Ecco dunque che per un intervento di qualche ora serviranno globalmente diverse settimane. A oggi, quante settimane di ritardo accumuleremo sul programma iniziale non è ancora affatto chiaro. Quello che è certo, è che non vedremo nessun protone circolare questa settimana.

cryogenics

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