Dall'idrogeno a LHC: un complesso di acceleratori

Prima di viaggiare ai 7 TeV nominali di LHC (o, per quello che importa, ai 3.5 TeV ridotti che avremo quest'anno), i protoni che abbiamo prodotto a partire dalla nostra bottiglietta di idrogeno devono fare un bel po' di strada. LHC è infatti un po' come la corsia esterna di un'autostrada: è fatto per una circolazione a grande velocità, e ha dunque una specie di "limite inferiore di velocità" al di sotto del quale non è possibile andare. I protoni che viaggiano dentro LHC entrano dunque già alla ragguardevole energia di 450 GeV, per essere accelerati fino a 7 TeV (o a 3.5 TeV, in questi tempi di magra).

Per portare all'ingresso di LHC i protoni a 450 GeV il CERN usa praticamente tutti gli acceleratori che hanno caratterizzato la sua storia. Ogni sincrotrone che è stato un giorno la punta di diamante del laboratorio, oggi invece lavora (principalmente, ma non necessariamente soltanto) come iniettore per il sincrotrone più moderno che a suo tempo l'ha rimpiazzato. Ecco dunque il percorso a tappe dei protoni, dal duoplasmatron fino a LHC:

  • LINAC2 (classe 1978, 36 m di lunghezza). Dalla bottiglia di idrogeno fino a 50 MeV: un po' come il vialetto davanti al garage di casa.
  • PSB (Proton Syncrotron Booster, 1972, 157 m di circonferenza). Dall'uscita del LINAC2 (50 MeV) fino a 1.4 GeV: la strada di quartiere.
  • PS (Proton Syncrotron, 1959, 628 m di circonferenza). Da 1.4 a 25 GeV: il corso di grande scorrimento che vi porta fino in periferia.
  • SPS (Super Proton Syncrocron, 1976, 7 km di circonferenza; quello con cui sono stati scoperti i bosoni W e Z). Da 25 a 450 GeV, fino alle porte di LHC: la tangenziale.
  • LHC (Large Hadron Collider, 2008, 27 km). Da 450 GeV fino a 7 (0ppure solo 3.5) TeV. Finalmente in autostrada, si corre!

Il percorso rosso nello schema qui sotto (cliccate per una versione più grande) vi mostra schematicamente dove passano i protoni (ma attenzione, la figura non è in scala):

Ecco qualche immagine lungo il percorso, partendo dal LINAC2...

... passando per il PS Booster...

... dentro il tunnel del PS...

... e infine dell'SPS:

Nessuna foto invece del tunnel di LHC, in parte perché ne avete già vista una nella puntata precedente, in parte perché le prossime due puntate saranno dedicate a qualche dettaglio su LHC, a come si mette in marcia un fascio, e alle collisioni: non vorrei mai facciate indigestione. Naturalmente, pur essendo LHC il progetto principe del CERN, non è certo il solo: il complesso di acceleratori, come potete forse intuire dallo schema lassù, serve anche altre installazioni e altri tipi di esperimenti, ma questo è veramente un capitolo a parte.

Photo credits: CERN (LINAC2, PSB, PS, SPS).

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29 Commenti

  1. Mat
    Pubblicato il 15 marzo 2010 alle 23:11 | Permalink

    interessante. anche per un "ateo" come me.
    ho una domanda, però: perché sotto terra?
    per quali motivi è necessario costruire un acceleratore scavando milioni di metri cubi di rocce e fango?

  2. wimp
    Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 00:48 | Permalink

    Immagino che il motivo principale sia la sicurezza. I fasci di HLC sono in grado di attivare gli altri materiali circostanti intorno al tunnel e se fossero in superficie magari potrebbero anche prendere in pieno un tecnico o qualsiasi cosa si trova lungo il percorso qualora fossero persi. Al contrario essendo sotto terra la probabilità che arrivino in superficie è bassa o nulla Marco?
    Immagino che i fasci che finiscono fuori dal tunnel partono sempre lungo le tangenti della loro traiettoria pseudocircolare...è così?
    Inoltre se questo fosse vero la zona ipoteticamente più sicura di un acceleratore, considerando quelli più piccoli di LHC, sarebbe il centro dell'anello giusto?

  3. Cla
    Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 09:12 | Permalink

    Ciao Marco! ti seguo sempre sul tuo blog e sfrutto l'occasione per farti i miei complimenti per la passione che metti in tutti i tuoi post!
    Volevo farti una domanda... hai scritto che l'acceleratore PS del 1959 arriva fino a 25 GeV. Per quale motivo si è ritenuto necessario realizzare negli anni successivi anche il LINAC2 e il PSB? Insomma.. se PS ci porta già a 25 GeV realizzare acceleratori che portano al massimo fino a 50 MeV a che serve?
    Grazie in anticipo per la tua risposta!
    Buona giornata..

  4. Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 09:50 | Permalink

    Questo post non è alla mia portata... Ok, ora vado a ripassare cosa sono i protoni, è torno! 🙂

    P.S. Complimenti!

  5. Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 10:10 | Permalink

    @Mat e Wimp: certo, sotto terra si evitano problemi di sicurezza legati all'attivazione radioattiva, che sono certamente importanti nel caso di un acceleratore di adroni. Ma ci sono anche (e soprattutto) della ragioni più prosaiche. Pensate a LHC con i suoi 27 km di circonferenza: copre un'area di circa 100 chilometri quadrati, attraversando due volte la frontiera, e coprendo il territorio di diversi comuni. Riuscite a immaginare l'esproprio o l'acquisto di un'area così grande per mettere un tunnel in superficie? E il controllo di tutta la zona? In realtà acceleratori di taglia più piccola sono in effetti in superficie, lo stesso PS al CERN lo è, ed è semplicemente coperto da una collinetta circolare di terra per schermare le radiazioni (ma lo si vede benissimo!).

    @Cla: la storia del complesso degli acceleratori del CERN è in realtà più complessa di come l'ho abbozzata qui: per esempio esisteva un LINAC più vecchio dell'attuale LINAC2 che iniettava il PS (non puoi mica farne a meno! I protoni arrivano sempre dall'idrogeno, e il primo calcio glielo dai sempre con un acceleratore lineare), che è stato sostituito poi da quello attuale. Analogamente, il PSB è arrivato a un certo punto quando si è voluti salire in energia con il PS, e la soluzione è stata - approssimando - quella di iniettarci dentro protoni a un'energia già maggiore rispetto a quello che si faceva in precedenza.

    @Andrea: sul serio? Nemmeno se cominci la serie dall'inizio? Fammi sapere, mi interessa capire quanto sono comprensibili si "profani" questi articoli.

  6. Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 18:38 | Permalink

    neutrinos to Gran Sasso?

  7. Francesco
    Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 18:48 | Permalink

    ciao Marco, io sono un profano, effettivamente non tutto è comprensibile e non potrebbe essere altrimenti, ma è talmente piacevole leggerti, quando accendo ilpc la prima cosa che apro è il tuo sito , molto interessanti sono anche le domande che ti fanno e le risposte che dai. approfitto per chiederti da dove viene presa l'energia che vi serve e quanta ve ne serve ? Auguri e buon lavoro ciao e grazie

  8. Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 21:54 | Permalink

    @Zar: Oh si, certo, mai sentito parlare del fascio di neutrini che spediamo attraverso le viscere della terra fin laggiù?

    @Francesco: L'energia viene molto prosaicamente dalla rete elettrica, in parte da quella Svizzera e in parte da quella Francese. LHC, durante le operazioni normali, consuma circa 120 MW.

  9. Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 22:01 | Permalink

    Marco, no, non sapevo del fascio di neutrini... E che ci fanno laggiù coi neutrini?

  10. Pubblicato il 16 marzo 2010 alle 22:27 | Permalink

    Veramente al volo: guardano se e come "oscillano". Noi gli spediamo dei neutrini "muonici", laggiù cercano di vederli arrivare (cosa di per se non proprio banale, perché i neutrini interagiscono proprio poco), e se e quanti sono ancora di tipo "muonico", o si sono trasformati in neutroni "elettronici" (o al limite persino "tauonici"). L'entità di queste oscillazioni misura il "grado di mescolamento" tra le famiglie dei leptoni, cosa che ci serve per capire alcuni aspetti di come funziona l'universo mondo.

  11. Cla
    Pubblicato il 17 marzo 2010 alle 08:51 | Permalink

    A proposito dei neutrini del Gran Sasso... proprio ieri sera hanno fatto un bel servizio su questo argomento a "La Gaia Scienza" su La7. Spero di essere utile ai più curiosi...!
    Buona giornata!

  12. Andrea
    Pubblicato il 17 marzo 2010 alle 12:45 | Permalink

    @Cla
    Sì, l'ho visto anche io. Non potevo proprio perdemri il geologo Mario Tozzi che ritorna tra le viscere della terra, nel suo habitat per intenderci... gli mancava solo il cappellino e la sua ormai storica picozza.
    Ma... veramente i lab del Gran Sasso sono i puù estesi del mondo sotto la superficie terrestre? E rispetto al CERN cos'ha il Gran Sasso che occupa tutto quello spazio? Le cavità di CMS, ATLAS, ALICE, etc. sono immense, cosa c'è di ancora più ingombrante?

  13. Cla
    Pubblicato il 17 marzo 2010 alle 16:24 | Permalink

    @Andrea
    Io so che i laboratori del Gran Sasso sono situati in quello che doveva essere un tunnel autostradale... Proprio quello che ieri Tozzi percorreva in macchina. Ne avevano scavati due, ma alla fine soltanto uno dei due è stato usato come strada, l'altro è diventato laboratorio dell'infn.
    Però non so proprio se sia più grande o meno del Cern e per quale motivo...

  14. Xisy
    Pubblicato il 17 marzo 2010 alle 16:26 | Permalink

    la curvatura della terra mi pare un po' magnified...

  15. Stefano
    Pubblicato il 17 marzo 2010 alle 17:18 | Permalink

    La scala x-y è 10:1 🙂

  16. Pubblicato il 17 marzo 2010 alle 17:31 | Permalink

    @Andrea: cos’ha il Gran Sasso che occupa tutto quello spazio? Una serie di diversi rivelatori, alcuni dalle dimensioni sicuramente rispettabili 🙂

    @Cla: il confronto tra le dimensioni di Gran Sasso e CERN non è molto sensato: al GS non ci sono acceleratori, si tratta soltanto di esperimenti che "guardano" particelle prodotte in natura, o al limitte quelle che gli spediamo da qui con il CNGS.

  17. Cla
    Pubblicato il 17 marzo 2010 alle 17:46 | Permalink

    Si si Marco, la mia era soltanto una risposta ad Andrea! Ovviamente trattandosi di esperimenti diversi e "strumenti" diversi, non ha molto senso confrontare le loro dimensioni!

  18. Andrea
    Pubblicato il 17 marzo 2010 alle 18:19 | Permalink

    @Marco & Cla
    Calma, calma non vorrei essere la causa (o forse sì...) di una "guerra quantistica" tra CERN e GS!!! Comunque grazie a per le risposte: sostanzialmente, categorie diverse implicano confronti diversi, mi sembra logico ora. Grazie ancora.

  19. Lorenzo
    Pubblicato il 1 luglio 2010 alle 14:37 | Permalink

    Volevo sapere una cosa,( parlo da ignorante), ma cosa rimane nel CMS dopo le collisioni di particelle?

  20. Pubblicato il 2 luglio 2010 alle 15:06 | Permalink

    Ciao Lorenzo,

    Per il gravissimo errore commesso nella tua domanda (io lavoro per ATLAS, il fratello di CMS che sta dall'altra parte di LHC) dovrei probabilmente risentirmi, ma sorvolerò 🙂

    Quando i protoni collidono (in maniera uguale nel cuore di ATLAS o CMS) producono uno spray di particelle varie che attraversa i rivelatori a quasi la velocità della luce lasciando un segnale. Molte di loro (per esempio gli elettroni o i fotoni) vengono semplicemente assorbite dai rivelatori nell'atto stesso del passaggio, mentre altre (per esempio muoni o neutrini) passano, magari lasciano la loro scia, e proseguono il loro viaggio verso le viscere della terra dove i rivelatori si trovano, generalmente (tranne che per i neutrini) fermandosi a un certo punto nella roccia nella roccia. I rimasugli dei protoni che continuano la loro corsa deviando poco dalla traiettoria originale dei fasci vengono invece fermati dai "tappi" messi apposta agli estremi dei rivelatori.

  21. Tuvok
    Pubblicato il 3 luglio 2010 alle 23:10 | Permalink

    Per Marco Chissà se posso ? ci provo:
    Avrei un ipotesi (non è farina del mio sacco) da sottopore a chi ci capisce qualcosa di fisica:

    Una reazione di fusione in "risonanza" C12(D,gamma)N14 potrebbe essere riproducibile, ad esempio nei laboratori del GS ?

    E' un'ipotesi che stiamo valutando su un altro blog, se hai tempo/voglia di ragionarci ti passo i dettagli, altrimenti grazie comunque per la passione che ci metti
    Ciao

  22. Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 08:12 | Permalink

    Urca, un po' di fisica nucleare: devo andare a rispolverare i vecchi tempi! Ma, al di la del problema fisico in se, non capisco la domanda: vorresti usare i laboratori del Gran Sasso per un esperimento di fusione nucleare? per come sono messi oggi, non credo che potresti, non ci sono attrezzature e facility adatte, la sotto ci sono principalmente grossi rivelatori di particelle cosmiche (o spedite dal CERN). O mi sono perso un dettaglio?

  23. Tuvok
    Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 10:34 | Permalink

    OK se hai un po di tempo da dedicarmi e se non sto scrivendo delle boiate provo ad approfondire.
    Magari... Se potessi decidere gli esperimenti nel laboratorio del Gran Sasso ora non sarei qui a fare 2 chiacchere informali su un argomento che semplicemente mi appassiona.

    LNGS: Esperimento LUNA : Piccolo acceleratore che invia protoni a pochi KeV su bersagli di vario tipo, le energie sono tarate sul picco di Gamow in modo da simulare le razioni nelle fornaci stellari (che sono a energie più basse rispetto agli acceleratori tipo il tuo "giocattolo")
    Delle misure decenti su queste reazioni, si riescono ad ottenere solo "la sotto" grazie alla schermatura rispetto al rumeore di fondo.

    Al link seguente
    http://www.crosslink.it/images/La%20nube%20di%20ammoniaca%20trideuterata.html

    C'è l'ipotesi che mi piacerebbe approfondire con chi può analizzarla anche in termini quantitativi, per eventualmente confutare se ci sono errori.
    Il GS viene conivolto perchè pare sia l'unico laboratorio al mondo dove sarebbe possibile simulare la reazione

    Il risultato finale di questa ipotesi, se confermata, sarebbe un nuovo combustibile molto piu "trattabile" per ipotetice centrali a fusione

    Be... l'analisi che ti ho proposto richiede sicuramente molto tempo, che non vorrei rubare ne ad ATLAS ne soprattutto alla famiglia... ma se ti incuriosisce e vuoi seguire l'idea di Elmar, mi farebbe un grande piacere...
    Ciao e grazie

  24. Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 14:20 | Permalink

    @Tuwok: capito, in effetti non sapevo nemmeno dell'esistenza di LUNA e di che cosa facessero (per i curiosi: http://luna.lngs.infn.it/).

    Quanto all'ipotesi di Pfletschinger, non so bene cosa pensarne, ma i pochi dati che ho trovato in giro non mi convincono molto. Quello che voglio dire è che potrebbe benissimo esserci qualche meccanismo nuovo che potenzialmente spieghi un'osservazione astronomica di un'eccesso di deuterio, e magari (anche se qui staremo veramente facendo il passo più lungo della gamba) questo meccanismo possa essere prima o poi usato in termini tecnologici per produrre energia. Ma bisognerebbe (o perlomeno, così è come io conosco il percorso scientifico) prima di tutto accertarsi che questa osservazione di un'eccesso di deuterio ci sia veramente, altrimenti ci staremmo mettendo a cercare la ragione per qualcosa che non esiste, e - come lo stesso Pfletschinger ammette - di questa osservazione non c'è traccia e conferma da nessuna parte. In sostanza: non ho tempo per mettermi a calcolare a partire da quel poco che ho potuto trovare, e il fatto che non si trovi altro mi suona sospetto.

    A margine, ci sono una serie di altri dettagli che puzzano un po'. Esempio: ecco, vedi, io sono un po' arrugginito dai tempi in cui studiavo astrofisica teorica, epperò qualcuno che mi dice (a grandi linee) che l'astrofisica attuale non è in grado di spiegare l'evoluzione delle stelle sulla sequenza principale del diagramma Hertzsprung-Russell mi lascia un dito attonito. Magari non ho capito niente, ma, come direbbero i francesi, il y a quelque chose qui cloche. Non è che mi stai rifilando un altro complottista?

  25. Tuvok
    Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 18:24 | Permalink

    Lungi da me i complottisti... non li sopporto 🙂
    Di solito fuggo a gambe levate al primo sentore ...

    Questa teoria però, ovviamente "a naso", vista la mia competenza da dilettante, mi ha subito colpito, e sono andato a cercare più che delle prove, delle evidenze di "errori" o estrapolazioni troppo "ardite".

    Invece sorpresa!

    Ho trovato una nana bianca ad esplosioni cicliche (U-Scorpii) che è esplosa di recente , curiosando nei dati della esplosione precedente (1999) gli spettrometri che la stavano aspettando al varco hanno trovato le linee dell'azoto, oltre ovviamente dell'idorgeno
    http://ej.iop.org/images/1538-3881/119/3/1359/Full/fg1.gif

    Ora, sembra abbastanza certo che le nane bianche siano composte soprattutto di carbonio oltre che idrogeno. E questo azoto in effetti non è spiegabile con le reazioni note e comprovate.

    Va be... per capire come Pfletschinger ritiene che questa sua ipotesi possa essere utile nelle reazioni di fusione ci vorrebbe dell'altro tempo, dovrei passarti altri dati e farti un riassunto generale ... se ti va ...

  26. Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 20:40 | Permalink

    Tuvok, fatico a seguirti, e non riesco a capire se sei in buona fede o no.

    Facendo una ricerca veramente veloce in rete ho trovato al primo colpo una mezza dozzina di paper in cui si discute dell'abbondanza relativa di carbonio, azoto e ossigeno (la famigerata triade CNO indispensabile per alimentari i processi biologici!) nelle nane bianche. Chi ne trova di più, ch di meno, chi propone un modello per spiegare le abbondanze, chi un altro. Nessuno si azzarda a dire qualcosa neanche lontanamente simile a "questo azoto in effetti non è spiegabile con le reazioni note e comprovate". Come la mettiamo? Da dove viene un'affermazione del genere? Magari mi sono veramente perso qualche cosa, ma la sensazione sgradevole di prima rimane. Mmmm...

  27. Tuvok
    Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 23:50 | Permalink

    Sisi sono in buona fede... ti confesso che io non ho trovato, in rete i paper di cui parli (ma sicuramente ho cercato male oppure ho trovato solo quello che volevo trovare... a volte capita... magari se vuoi girarmi un link)

    In particolare però se vai su questo:
    http://wapedia.mobi/it/Nana_bianca?t=5.
    dove si approfondiscono le teorie sulla fisica delle nane bianche, con anche i riferimenti dettagliati alle fonti dei dati, non si parla di percentuali importanti di Azoto ... solo H He C e O
    Comunque la sezione del link che interessa Pfletschinger nella sua teoria è "6. 1. Variabili cataclismiche" dove si verifica un'esplosione periodica (nel caso di U-Scorpii ogni 10-11 anni circa) che potrebbe essere il risultato della reazione in risonanza alla energia di Gamow per C12 e D... (10432 Kev a 160 Milioni di gradi)

    P.S. la triade CNO mi riconduce al ciclo di Bethe, che, credevo di avere capito, essere ormai accettato dalla astrofisica attuale, come alla base del "funzionamento" delle stelle della sequenza principale nel diagramma H-R, oltre una certa massa.
    Ma comincio ad evere seri dubbi che, su questi argomenti, la mia "formazione", quasi esclusivamente in rete, non sia del tutto priva di abbagli (tipici dell'inesperto entusiasta...). Avrei forse bisogno di fare un bel bagno di umiltà ascoltando dei veri esperti...

    P.P.S. Forse la mia frase doveva essere “questo azoto IN PIU' in effetti non è spiegabile con le reazioni note e comprovate”

    Ciao e ancora grazie

  28. Pubblicato il 7 luglio 2010 alle 10:04 | Permalink

    Bof, se fai una ricerca per "white dwarf nitrogen abundance" trovi di tutto e di più, e intendo dire paper e testi scientifici, non paginette web o enciclopedie divulgative. Ovviamente non ho il tempo di andare a studiare l'argomento per dirti dove siamo e quali sono i punti aperti, ma ecco, non mi sembra che sia un argomento non studiato o non preso in considerazione.

  29. Tuvok
    Pubblicato il 7 luglio 2010 alle 18:41 | Permalink

    Grazie Marco... effettivamente c'è da perdersi, quindi ora me ne taccio finchè non avrò estratto da questo mare di informazioni qualcosa di utile... Spero in questa stessa tua disponibilità se in futuro avrò altri quesiti sull'argomento...
    P.S. Se per caso hai bisogno di qualcuno che porti a passeggio Oliver in tua assenza, mi offro volontario... Sono sicuro che avrei molto da imparare...

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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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