Da dove arrivano i protoni che circolano in LHC?

Proprio in questi giorni le attività di LHC stanno riprendendo dopo la pausa invernale, vediamo dunque se riesco a spiegarvi un pezzo alla volta (e brevemente ogni volta) come funziona questa macchinone. Cominciamo dunque dall'inizio: LHC è un acceleratore e collisore di protoni (anche di ioni più pesanti, ma per adesso sorvoliamo). Dove andiamo a prendere i protoni in questione?

Il protone è insieme al neutrone uno dei costituenti dei nuclei atomici, dunque la sorgente deve essere un nucleo di un atomo. La scelta ideale è l'idrogeno, atomo formato da un solo protone e un solo elettrone. All'inizio di tutta la catena di acceleratori che porta a LHC c'è dunque una bottiglietta piena di idrogeno in forma di gas. Vedere per credere:

Il trucco sta proprio nel prendere gli atomi di idrogeno (che sono elettricamente neutri) , strappare via loro l'elettrone che orbita intorno ai protone, e recuperare i protoni "nudi" per infilarli nel primo stadio della catena di accelerazione (di cui parleremo in un'altra occasione). Semplice, vero?

Il lettore smaliziato adesso potrebbe chiedere: come si strappa l'elettrone di un atomo di idrogeno per mettere a nudo il protone? In sostanza, si infila l'idrogeno gassoso in un cilindro metallico a cui viene applicato un forte campo elettrico. Ecco il cilindro in questione:

Lo si vede anche nella foto precedente, quella con la bottiglietta rossa piena di idrogeno gassoso. Il cilindro ben riempito di gas verrà poi infilato nell'apparecchio che - tra le altre cose - produce il campo elettrico a cui accennavo; il campo ionizza il gas, ovvero prima spezza la forma molecolare dell'idrogeno - che di solito se ne va in giro in coppie di atomi - e poi separa i protoni e gli elettroni dei singoli atomi. L'oggetto che si occupa di questa operazione apparentemente semplice si chiama duoplasmatron (e il nome bizzarro è tutto quello che saprete di lui!):

Una volta denudati i protoni sono pronti per essere incanalati dentro il primo stadio di accelerazione, di cui vi parlo al prossimo giro.

Photo credits: CERN.

Questo è il primo di quella che vorrei fosse una serie di articoletti brevi. che andranno a piazzarsi sotto l'etichetta LHC F.A.Q.. Siccome prima o poi c'è sempre qualcuno che finisce per chiedere le stesse cose, ho pensato che potrebbe interessare condividere le risposte con tutti. Vediamo quanto lontano riusciamo ad arrivare.

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37 Commenti

  1. Bruno
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 12:42 | Permalink

    Prosegui, prosegui!

  2. juhan
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 14:30 | Permalink

    Prosegui! Quant'è semplice la fonte di tutto il complesso. Se manca si può andarne a prendere una a chi gonfia i palloncini, magari non serve nemmeno che sia rossa. Ma i fisici del CERN hanno bisogno di quella scritta "gas infiammabile", bilingue anche se molto simile nelle due lingue?

  3. Stefano
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 15:31 | Permalink

    Grazie per l'articolo! Chiaro come sempre. E' incredibile come tu riesca a suscitare curiosità in chi ti legge, davvero complimenti!

  4. Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 15:47 | Permalink

    @juhan: la doppia lingua è un obbligo costituzionale, nel senso che è scritto nei regolamenti del CERN che ogni informazione deve essere scritta in inglese e francese, e che ogni utente deve garantire di saperne leggere, scrivere e parlare almeno una delle due.

    Detto questo, nella caverna di ATLAS abbiamo anche le scritte in russo, perché molti istituti dell'est europeo hanno pagato la loro frazione di contributo all'esperimento in ore-lavoro di tecnici vagamente slavi che non spiaccicavano né l'inglese né il francese 🙂

  5. Andrea
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 16:06 | Permalink

    Articolo molto didattico, come pure l'idea che sta alla base della nuova sezione LHC F.Q.A.. Ma quante di quelle elegantissime bombolette rosse di idrogeno sono presenti all'inizio della preiniezione al LINAC? Soltanto una?

  6. Lorenzo Fiori
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 16:22 | Permalink

    Il semplice nel complesso ovvero i "principi": questa è vera divulgazione...! Complimenti.
    Mi raccomando: desideriamo ardentemente in seguito anche un articoletto su "Perchè gli urti e cosa ci si aspetta da loro"...ma questo Marco certamente già lo sa...

  7. Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 16:30 | Permalink

    @Andrea: solo una (per volta). Ovviamente nessun passaggio dalla bottiglia a LHC ha efficienza 100% (per esempio, lo strip dell'elettrone ha un'efficienza di circa 70%). Ma in una bomboletta così ci sono moooolti protoni (hai presente il numero di Avogadro?), abbastanza per quello che dobbiamo farci.

  8. GIGI
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 17:12 | Permalink

    Ottimo, Marco! Dopo la lunga latitanza torni con un'iniziativa molto stimolante. Poichè queste spiegazioni sono riservate ai blogger e non ad Oliver, deduco che al CERN sia vietato l'ingresso ai cani.
    A proposito, con la mia piccola esperienza psicologica mi sono chiesto: il fatto che Marco spieghi la fisica ad Oliver è rilevatore dello scarso concetto che ha di noi lettori profani? 🙁 No, riprenditi, scherzo; vuol solo dire che vuoi molto bene al tuo cane! ; ) Buon lavoro Marco... e grazie

  9. wimp
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 20:37 | Permalink

    Ciao Marco,
    come sempre vengo subito al sodo perché di complimenti meritatissimi già ne sei pieno 🙂 !
    Dunque è risaputo che la concorrenza in uno dei tanti esperimenti è riuscita a mettere insieme una delle cose più instabili dell'universo sebbene pochissime particelle... Anche voi avete in programma tra i tanti anche esperimenti aventi quello stesso scopo ovvero creare atomi di antimateria? 🙂

  10. Fabiano
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 22:05 | Permalink

    @wimp: rispondo io per Marco (che ovviamente può correggermi). Per gli acceleratori (collisionatori) di particelle, la creazione di particelle di antimateria è all'ordine del giorno, credo che avvenga quasi ad ogni collisione. Ma non c'è da preoccuparsi, viene subito "riassorbita" tutta e non c'è il rischio di effetti tipo Angeli e Demoni.
    @Marco: la prima foto del post dove si vede la bomboletta rossa mostra un apparato realmente funzionante oppure è qualcosa tipo installazione da museo? Lo dico perché è tutto così perfettino, con quella scatola di plexiglass e il duoplasmatron (bel nome!) che sembra non sia collegato a nulla...

  11. Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 22:57 | Permalink

    @wimp: se pensi a "particelle" di antimateria, allora la risposta di Fabiano basta e avanza. Se invece intendevi veramente "atomi" nel senso di sistemi complessi con un nucleo di antiprotoni (ed eventualmente antineutroni) attorno al quale orbitino dei positroni, allora la risposta è "no", non fa parte del nostro programma scientifico. Per questo genere di cose servono esperimenti dedicati, come per esempio gli stessi Athena o ATRAP al CERN (vedi per esempio http://public.web.cern.ch/public/en/research/Antimatter-en.html).

    @Fabiano: semplificando molto, devi riempire la bottiglia metallico della seconda foto di idrogeno, per poi infilarla nella gabbia di Faraday del duoplasmatron. Il riempimento avviene fuori, con un'attrezzatura non particolarmente appariscente, ne convengo, a partire da una bombola abbastanza comune 🙂

  12. wimp
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 22:59 | Permalink

    In realtà più che di singole particelle prodotte inevitabilmente dalle collisioni, visto che si parlava di idrogeno ho pensato di fare questa domanda sull'anti-idrogeno ovvero veri e proprio atomi di antimateria confinati in "gabbie magnetiche". Questo tipo di esperimento per quanto sembri una trovata fantascientifica da "Angeli e Demoni" da quello che so è stato realmente effettuato anche dal CERN a metà anni 90 (non con LHC quindi). La mia curiosità era se questo tipo di esperimento rientra anche nei piani di LHC. Per quanto riguarda il preoccuparsi non credo che ce ne siano i motivi proprio perché la quantità di atomi che si riesce a produrre è troppo bassa per rappresentare un pericolo per gli scienziati e il personale... giusto Marco? 🙂

  13. Xisy
    Pubblicato il 1 marzo 2010 alle 23:26 | Permalink

    si' ma gli (anti)atomi sono comunque neutri, per cui mi e' difficile pensare ad un semplice confinamento magnetico o elettrostatico... non so come fanno a contenerli; forse sfruttano le forze di Van der Waals, boh...

  14. delo
    Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 00:02 | Permalink

    Gli anti-atomi infatti non si contengono. Praticamente si "raffraddano" cioe' diminuisce l'energia di antiprotoni e positroni e con delle "trappole" elettromagnetiche si cerca di contenerli e farli combinare per ottenere degli atomi di anti-idrogeno. Quando un anti-atomo e' creato, si aspetta (molto poco in verita') che si scontri e si annichilisca contro le pareti del contenitore e si cerca di rivelare cio' che viene prodotto.
    L'esperimento di questo tipo che avuto piu' successo al CERN e' ATHENA
    ciao
    delo

  15. Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 00:18 | Permalink

    Pendo dalle tue labbra...

  16. Tiziano
    Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 09:18 | Permalink

    In LHC è possibile accelerare solo protoni o anche atomi interi ?
    e se fosse possibile accelerare atomi si potrebbe avere una reazione di fusione nucleare ?

  17. Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 09:51 | Permalink

    @wimp: non c'è proprio nessuna ragione per preoccuparsi. Come spiega Delo, l'annichilazione degli antiatomi con la materia ordinaria è usata come sistema per poterli vedere. Se fosse pericoloso, saremmo esplosi da un pezzo! 🙂

    @Tiziano: Atomi interi no, perché sono elettricamente neutri. Ioni (ovvero i soli nuclei degli atomi in questione) invece si, fa parte del programma scientifico di LHC, in particolare per l'esperimento ALICE. Accelereremo principalmente ioni "pesanti" (e.g. nuclei di piombo). Fusione nucleare? A parte che quella di solito la fai con nuclei leggeri (idrogeno, deuterio), no, nulla del genere, stai pure tranquillo.

  18. Jonathan
    Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 10:40 | Permalink

    La bomboletta rossa di idrogeno mi ricorda un fiaschino di vino 🙂
    Il disegno in sezione del duoplasmatron non è aggiornato, la campana esterna nella foto è cilindrica con un grosso smusso all'estremità mentre nel disegno manca lo smusso e la parte cilindrica è rientrante, rastremata !!! 😀
    A parte gli scherzi vedo la cura maniacale nei dettagli costruttivi, ad esempio anziché usare del semplice rilsan, è stato usato un tubetto in rame tutto sagomato con la finezza dell'occhiello che funge da scorta.
    Molto interessante il tuo progetto di spiegare il funzionamento di LHC un "troncone" alla volta.
    Ti faccio una domanda, i progetti e i disegni costruttivi sono di pubblico dominio e quindi reperibili, magari sul web, o sono riservati e coperti da una qualche sorta di clausola di segretezza ?

  19. Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 11:14 | Permalink

    Dipende. Alcuni (pochi) sono "privati", la maggior parte sono pubblici. Guada un po' qui: https://edms.cern.ch/

  20. Jonathan
    Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 11:33 | Permalink

    Grazie mille Marco sei stato velocissimo !!!

  21. Tiziano
    Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 13:16 | Permalink

    quando un protone viaggia, come nel caso dell' LHC, ad una velocità prossima a quella della luce ci sono implicazioni spazio-temporali ? scusa per la banalità della domanda, ma mi è venuto in mente il paradosso della relatività nel caso di velocità prossima a quella della luce e sono curioso di sapere ciò che si osserva lì da voi. E dall'accelerazione di ioni pesanti cosa ci si aspetta come risultato?

  22. Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 13:54 | Permalink

    Non capisco che cosa vuoi dire con "implicazioni spazio-temporali"?

    Certo, bisogna fare i calcoli per bene tenendo conto delle velocità, e le cose sono diverse nel sistema di riferimento del protone (o dello ione) o in quello del laboratorio, ma nulla di clamoroso e terribile. Per dire, c'è un'interessante fenomeno legato alla contrazione delle lunghezze nell'asse di moto: gli ioni che a riposo sono circa sferici appaiono come dei dischi.

    Sulla fisica degli ioni pesanti potrei parlare per ore, ma non adesso. Se ti interessa, cerca un po' "Quark Gluon Plasma" per farti un'idea.

  23. Nick
    Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 17:20 | Permalink

    Interessante, in effetti non mi ero mai chiesto da dove vengano le particelle. Curioso sapere che la fonte sia una così semplice bomboletta di gas!!

  24. marco
    Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 22:12 | Permalink

    Fiiiigu!

    Grazie per la spiegazione, però mo' hai messo la pulce nell'orecchio con quegli ioni di piombo...
    Temperature di millemila gradi...

    Che poi hai voja ad accelerare particelle così pesanti... ma sempre nel super-mega-anello? E il brehmstrahlung (o come si chiama)? Non si "succhia" tutta l'energia dello ione "che gira che gira che gira e che mai si fermerahà" (cit.)?

    Ciao

  25. delo
    Pubblicato il 2 marzo 2010 alle 23:17 | Permalink

    a questo link
    http://www.borborigmi.org/2008/12/10/la-radiazione-di-sincrotrone-un-sacco-di-energia-persa-ad-ogni-giro/
    Marco spiega perche' ad LHC si utilizzano protoni invece che elettroni.
    cito: "a parità di energia un elettrone perderebbe diecimila miliardi di volte più energia per giro che un protone a causa della radiazione di sincrotrone"
    L'energia persa dipende dall'inverso della massa della particella alla quarta.
    Quindi nella formuletta se al posto della massa del protone metti la massa dello ione pesante vedrai che l'energia persa per emissione di sincrotone e' ancora minore.

    delo

  26. marco
    Pubblicato il 5 marzo 2010 alle 08:48 | Permalink

    @ delo: grazie del link, l'avevo perso... E m'ero perso che era inversamente proporzionale e non direttamente alla massa...

    @ marco: almeno però anticipaci perché proprio ioni di elementi pesanti (perché ci vuole meno energia per strappare gli elettroni dall'orbita e quindi gliene levi più di uno? perché sono più densi? perché anche voi c'avete la mania delle macchine grosse?)

    Ciao

  27. Pubblicato il 5 marzo 2010 alle 09:31 | Permalink

    @Marco: al volo: si, devi togliere tutti gli elettroni, con un procedimento analogo a quello che fai con l'elettrone singolo dell'idrogeno per i protoni. Perché gli ioni pesanti? In effetti perché sono pesanti 🙂 Ecco qualcosa di digerire nell'attesa:

    http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/Page2FreeQuarks-en.html

  28. Enrico
    Pubblicato il 20 ottobre 2010 alle 15:14 | Permalink

    ...ho sentito che tra qualche mese inizieranno le accelerazioni di nuclei di piombo...
    avete bombolette di piombo aerosol?.. 😀
    a parte gli scherzi, come si parte in quel caso?
    ...grazie ancora Marco!

  29. Pubblicato il 20 ottobre 2010 alle 19:52 | Permalink
  30. Ettore
    Pubblicato il 21 ottobre 2010 alle 16:25 | Permalink

    Ho trovato anche questo link: http://cdsweb.cern.ch/record/823379

  31. tiziana
    Pubblicato il 14 marzo 2011 alle 20:25 | Permalink

    Che confusioneeeeeeeeeeeee non ci capisco nulla

  32. Pubblicato il 14 marzo 2011 alle 20:28 | Permalink

    Un passo per volta, Tiziana, un passo per volta... 🙂

  33. tiziana
    Pubblicato il 14 marzo 2011 alle 20:31 | Permalink

    MANCO QUELLO HO FATTO IL PRIMO PASSO STASERA ZERO.. INTERROGAZIONE .. E METTERSI SUI LIBRI A STUDIARE DOPO PIU DI 20 ANNI E DURA ASSAI

  34. ugo pescatori
    Pubblicato il 27 marzo 2011 alle 11:55 | Permalink

    mi sono chiesto da sempre come nasce una particella in particolare il protone, il neutrone, l'elettrone, non trovando risposte dall'esterno ho deciso di concepirlo da solo! Anni di pensieri astratti finché un giorno vedendo un incidente drammatico di un auto ho capito che dovevo leggere il grande libro della natura, così ho fatto e tutto è diventato semplice e reale. Si so come sono nate le tre fondamentali particelle e tutto il resto l'ho scritto su una mia pubblicazione privata il titolo è il primo giorno grazie Pescatori Ugo

  35. Pubblicato il 27 marzo 2011 alle 20:31 | Permalink

    Gentile Ugo, ho cancellato il suo telefono per evitarle problemi, non è una buona idea postarlo sulla rete così, specie dopo un messaggio quantomeno provocatorio. Se poi lei pensa di avere una teoria sull'origine delle particelle elementari (non voglio deluderla, ma protone e neutrone non sono elementari: mai sentito parlare di quark?), perché non la spedisce a qualche rivista scientifica per pubblicarla?

  36. pescatori ugo
    Pubblicato il 16 maggio 2012 alle 20:40 | Permalink

    Sono di nuovo io pescatori ugo, per prima cosa grazie di aver corretto la mia leggerezza,cancellando il mio numero di telefono, questa volta il mio intervento è legato alla famosa disputa sulla presunta velocità dei neutrini che avrebbero superato la velocità della luce cosa già per se stessa limitata perché la velocità base dell'universo non è misurabile (per ora) ma è certamente superiore, ma per una legge elementere nessuna spinta può essere superiore alla base se ciò fosse concretamente possibile significherebbe la famoa reazione a catena riportando ogni particella alla sua origine con il collasso dell'intero cosmo!

  37. ugo
    Pubblicato il 18 novembre 2012 alle 16:50 | Permalink

    chiedo scusa per l'argomento che tratterò non inerente a questo sito lo faccio per rendere pubblico quanto siamo latini... siamo prossimi a nuove elezioni e gli attuali eletti si stanno sbracciando per una futura sistemazione in caso non siano rieletti mentre i nuovi pretendenti si sbranano per riuscire ad entrare nel paradiso economico della politica ciò significa che per il popolo nel breve futuro aumenterà il numero da mantenere nella bambage!!! scrivo questo per far capire perché non ci sono soldi per la ricerca, la scuola, la sanità.

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  • Di Scientificando il 30 marzo 2010 alle 00:07

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  • Mi chiamo Marco Delmastro, sono un fisico delle particelle che lavora all'esperimento ATLAS al CERN di Ginevra.

    Su Borborigmi di un fisico renitente divago di vita all'estero lontani dall'Italia, fisica delle particelle e divulgazione scientifica, ricerca fondamentale, tecnologia e comunicazione nel mondo digitale, educazione, militanza quotidiana e altre amenità.

    Ho scritto un libro, Particelle familiari, che prova a raccontare cosa faccio di mestiere, e perché.

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