Treni di protoni raggruppati in pacchetti

È passato un po' di tempo, dunque rinfreschiamoci un po' la memoria. Siamo partiti con una manciata di protoni tirati fuori da una bomboletta di idrogeno; li abbiamo accelerarli un po’ in tratti rettilinei, dopodiché abbiamo deciso di farlii circolare dentro degli anelli per poter ripetere questa accelerazione un numero sufficiente di volte; per salire fino all'energia che ci interessa, abbiamo messolo insieme svariati acceleratori in catena, dal primo LINAC fino a LHC; abbiamo infine scoperto che quest'ultimo è la combinazione di due acceleratori che corrono in parallelo, che si incrociano per permettere le collisioni tra i fasci al centro dei quattro. Per completare questo primo abbozzo dei meccanismi di funzionamento di LHC, vorrei accompagnarvi ancora attraverso due aspetti: da una parte, dirvi come sono strutturati i fasci di LHC, e come questa struttura influenzi il modo e il ritmo a cui avvengono le collisioni. Dall'altra, per concludere, darvi un'idea di come si ferma un fascio di LHC, tutte le volte che questo sia necessario. Cominciamo dalla struttura dei fasci, e riserviamo allo stop dei fasci la prossima puntata.

Quando i protoni circolano dentro le due linee di fascio di LHC, e come sono distribuiti lungo l'orbita? La risposta a questa domanda è la chiave per capire come i rivelatori - che stanno appostati a osservare che cosa succede durante gli scontri - sono sincronizzati con le le collisioni. Ed è una risposta piuttosto semplice: i protoni entrano dentro LHC raggruppati in pacchetti (in gergo, bunch), e raggruppati in pacchetti continuano a circolare e a collidere. La configurazione più semplice che potete immaginare è quella in cui, in ognuna delle due linee di fascio, circoli rispettivamente un solo bunch : avete in questo caso una pallina di protoni che gira in una direzione, e un'altra nella direzione opposta. La posizione dei bunch lungo le orbite è scelta in modo che questi di incontrino esattamente nel centro di un rivelatore, pronti quindi a collidere l'uno contro l'altro.

Il momento della collisione è simile all'incontro di una manciata di sabbia lanciata contro un'altra manciata di sabbia: esiste una certa probabilità che almeno un granello di un manciata tocchi uno di quella dell'altra manciata, ma la maggior parte dei granelli passerà indisturbata a fianco dei colleghi dell'altro gruppo, senza degnarli di uno sguardo. Esattamente per questa ragione i bunch di protoni - se niente va storto - possono circolano per ore all'interno di LHC: a ogni incontro con un bunch dell'altra linea di fascio qualche protone colliderà, ma la maggior parte proseguirà per un altro giro, sperando di essere più fortunata al turno successivo.

(Image credit: LHC outreach)

Con un solo bunch per fascio non tutti sarebbero contenti. Ricordate come sono sistemati i quattro rivelatori lungo l'anello di LHC, un po' come agli estremi di un simbolo della pace? Non dovrebbe essere dunque complicato capire che, avendo un solo pacchetto di protoni per linea di fascio, non ci sarebbe verso di sistemare i due pacchetti in modo da farli collidere nel centro di tutti e quattro i rivelatori (provate, provate pure...). La configurazione minima per far contenti allo stesso tempo ATLAS, CMS, ALICE e LHCb consiste nel mettere almeno due bunch per fascio, in posizioni tali da assicurare almeno un incontro di bunch per giro a tutti i rivelatori. Vi lascio giocare con righello e compasso per scoprire qual'è la soluzione che con due più due bunch accontenta tutti.

Con i bunch piazzati in posizione precise dell'orbita, è chiaro che le collisioni avverranno sempre in istanti altrettanto precisi. In effetti, LHC fornisce agli esperimenti un clock, una frequenza fondamentale corrispondente alle posizioni dei bunch, con la quale sincronizzare gli apparati di lettura: se ci sarà una collisione, avverrà in corrispondenza del tick del metronomo di LHC. Siccome gli esperimenti non vogliono però  "fotografare" di continuo anche le collisioni "vuote", sono comunque in grado di percepire da soli se i bunch sono passati attraverso il rivelatore, o se una collisione ha in affetti avuto luogo.

Torniamo alle manciate di sabbia: per aumentare la probabilità di avere uno scontro tra granelli potete fare tre cose. Prima di tutto potete cercare di schiacciare per bene la sabbia nella mano prima di lanciarla, in modo che le manciate siano ben raccolte, e potete poi prendere bene la mira. I macchinisti di LHC fanno lo stesso, con una procedura che si chiama squeezing: compattano i bunch il più possibile (tenendo contro che i protoni sono carichi positivamente, e dunque, a differenza dei granelli di sabbia, tendono a respingersi), e poi allineano gradualmente i fasci in modo da centrare per bene l'incontro. Potete poi decidere di aumentare la quantità di sabbia in ogni manciata: più ce n'è, più è probabile che due granelli si scontrino. E potere decidere di lanciare più manciate di sabbia una dietro l'altra, in modo da aumentare il ritmo degli incontri. I macchinisti di LHC fanno lo stesso: da una parte cercano di "ingrassare" i bunch fino al massimo di protoni possibili (con la solita limitazione della repulsione elettromagnetica), dall'altra di aumentare il numero di bunch che circolano nella macchina.

(Image credit: LHC outreach)

Qualche numero. LHC è progettato per far circolare 2808 bunch in ognuno dei due fasci, con una distanza minima di circa 7 metri tra due bunch consecutivi che formano un "treno". La frequenza degli incontri tra bunch è di 40 MHz, ovvero ogni 25 ns (il che porta a un sacco di collisioni per secondo, ma per calcolare una stima di questo numero avrei bisogno di un articolo dedicato). La quantità nominale di protoni per bunch all'inizio di un run è di circa 1011 protoni; all'inizio perché, come dicevo poco fa, a forza di girare e vedere qualcuno dei propri protoni collidere, i bunch si consumano e deperiscono. Cosa succede quando un fascio, dopo qualche ora di collisioni, è diventato troppo magro perché valga ancora la pena farlo circolare? Lo si ferma, e ci si prepara a riempire l'acceleratore con un fascio fresco di bunch belli grassotti. Come si ferma un fascio? La risposta alla prossima puntata.

In questi giorni, giusto per farvi capire a che punto siamo rispetto alle condizioni nominali, dentro LHC circolano e collidono 7 bunch per fascio, ognuno da 1011 protoni ciascuno, contro i 2808 nominali. Come è facile immaginare, il ritmo delle collisioni può dunque ancora aumentare, e di molto!

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12 Commenti

  1. Ettore
    Pubblicato il 5 luglio 2010 alle 21:15 | Permalink

    Visto che ci sei, potresti dirmi a cosa si riferisce la dicitura tipo:

    3m beta *

    Se non sbaglio credo sia relativo allo squeeze dei bunch... ma forse tu puoi illuminarmi meglio anche relativamente a cosa significhi proprio " beta * ".

    Grazie mille! 😀

  2. Ettore
    Pubblicato il 5 luglio 2010 alle 21:26 | Permalink

    E scusa se monopolizzo un po il discorso 😀 ma di domande ce ne sarebbero talmente tante... 😀 comunque l'altra domanda è:
    dal momento in cui i fasci sono iniettati e rampati, prima che vengano dichiarati stabili e vengano fatti collidere passa decisamente molto tempo.... ci sono diverse cose da fare ovviamente ma immaginavo che occorresse molto meno tempo...
    Per esempio adesso dai grafici il ramp è finito alle 21:30, in questo momento sono le 22:30 ed ancora si è in fase di squeeze... (e nel frattempo anche i fasci comunque degradano in intensità anche se gli date dei "calci" di mantenimento) è passata un'ora... e quando il numero di pacchetti sarà 2800 quanto tempo ci vorrà? Anche la fase di ramping dura 45min...
    In breve, è prevista anche la riduzione di questi tempi oppure i tempi sono e rimarranno gossomodo questi?

  3. Tommybond
    Pubblicato il 5 luglio 2010 alle 22:54 | Permalink

    @Marco : davvero azzeccata l'analogia fra pacchetti di protoni e mucchietti di sabbia!! La fantasia e l'originalità sono al massimo anche in un periodo di intenso lavoro , come questo! Complimenti Marco!!
    Spero che il seguito di questo post arrivi presto!

  4. Tommybond
    Pubblicato il 5 luglio 2010 alle 23:14 | Permalink

    @Marco : Ho provato a ragionare sulle domande che hai indicato nel post.
    Ecco le mie idee :
    Se ogni fascio possiede un pacchetto ciascuno , le collisioni avverranno solamente nel centro di ATLAS e nel centro di CMS, ovvero in due rivelatori su 4. Dico bene o sbaglio?
    Per quanto riguarda le collisioni di due fasci con 2 pacchetti ciascuno non vorrei sbagliarmi grossolanamente ! Preferisco rifletterci ancora!

  5. Stephan
    Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 00:56 | Permalink

    2 di notte, un po' di insonnia, mi faccio una tazza di latte, accendo il portatile e cosa trovo? un nuovo post di Marco bello sostanzioso tutto da gustare.
    non potevo chiedere di meglio.
    Ste

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

    ohh mi mancavano un po' questi post squisitamente tecnici 🙂
    sempre grandissimo!

  7. Claudio
    Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 11:30 | Permalink

    @Ettore: beta* è l'ampiezza dei fasci nel punto di collisione.
    Per quanto riguarda la dicitura "3m beta*", però non so cosa voglia dire.

  8. Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 15:08 | Permalink

    @Ettore e Claudio: la funzione \beta (che sta per "betatrone") misura in qualche modo l'ampiezza dei fasci lungo la traiettoria dell'acceleratore. \beta^{*} è una parametro legato al primo, ma in qualche modo diverso: misura la distanza dal punto di interazione in cui l'ampiezza (o meglio, l'area trasversa) del fascio è doppia rispetto all'ampiezza (o meglio, l'area) al punto di collisione. Siccome lo "schiacciamento" del fascio prima delle collisioni è limitato dall'apertura dell'ultimo magnete di tripletto prima dei rivelatori, più è grande \beta^{*} più è ampio il facio nel punto di interazione, e viceversa.

    @Tommybond: se hai un solo pacchetto per fascio puoi nella migliore delle ipotesi far collidere in ATLAS e CMS, ma nulla ti impedirebbe di far collidere solo in ALICE, o solo in LHCb. Con due pacchetti per fascio ben messi puoi fare almeno una collisione per giro in ogni rivelatore, ma qualcuno ne prenderà di più...

  9. Tommybond
    Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 16:36 | Permalink

    @Marco : Ovviamente mi riferivo alla migliore delle ipotesi! Credo che sia meglio massimizzare il numero di collisioni fra pacchetti per ogni giro! Chiedo un aiutino per il caso 2 pacchetti più 2 pacchetti, in modo tale da potermi esprimere senza ripensamenti :-).
    La distanza fra due pacchetti adiacenti può essere diversa nei due diversi fasci?

  10. Pubblicato il 6 luglio 2010 alle 20:47 | Permalink

    Si, ovviamente, poi metterli dove vuoi lungo l'orbita, e in posizioni relative diverse su ogni fascio 🙂

  11. Chiara
    Pubblicato il 8 ottobre 2010 alle 07:34 | Permalink

    Grazie!
    Aspetto il seguito 🙂

  12. Ettore
    Pubblicato il 28 ottobre 2010 alle 13:06 | Permalink

    Ciao Marco, gentilmente, potresti chiarire cosa indicano i valori di BACKGD 1,2 e 3 nella pagina Operation di Vistars?
    Azzardando, credo si riferisca al rumore di fondo, ma perchè tre valori di background? Ma soprattutto, per esempio guardando i valori di Atlas, nel backgd 2 ci sono valori circa 200 volte maggiori che in Cms, cosa implica?

    Grazie mille.

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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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