Come si fermano i fasci di LHC?

È passato un po' di tempo dall'ultima puntata, ma sono pressoché sicuro che non vi siate dimenticati i principi di funzionamento di LHC. Da come vengono prodotti i protoni che formeranno i fasci a come siano inizialmente prendano velocità in un acceleratore lineare, da come l'accelerazione continui in una catena di sincrotroni circolari a come i fasci siano organizzati in una successione di pacchetti come i vagoni di due treni, ormai sapete quasi tutto. L'unico tassello che mi sembra manchi al quadro generale è il passaggio finale. Ovvero, una volta accelerati, come vengono fermati i protoni di LHC?

Come abbiamo infatti già avuto modo di discutere, i pacchetti di protoni che circolano dentro LHC in direzioni opposte si incontrano regolarmente nelle zone centrali dei quattro rivelatori. A ogni incontro c'è una certa probabilità che uno o più protoni di un pacchetto interagisca ("collida") con un protone del pacchetto che arriva in direzione contraria. In effetti, è per questo che LHC è stato costruito! Ma  a forza di circolare e di collidere (e sapete che di giri i protoni ne fanno parecchi) i pacchetti dei fasci si consumano: ogni coppia di protoni che collide produce uno spruzzo di particelle (quelle che "fotografiamo" con i rivelatori), e i due pacchetti di origine si ritrovano ciascuno con un protone in meno. Certo, ogni pacchetto ne contiene parecchi, ma dopo qualche ora passata a incrociarsi al ritmo di circa 40 milioni di incontri al secondo, anche il pacchetto più grassottello si ritrova ben assottigliato. Continuare a far circolare questi pacchetti "esausti" non è molto conveniente: la probabilità che avvengano delle nuove collisioni si riduce infatti con il numero di protoni per pacchetto. Conviene piuttosto fermare i fasci, svuotare l'acceleratore, e immettere fasci freschi (fatti da pacchetti nuovi di zecca ) da accelerare e far collidere di nuovo.

Fermare i fasci di un acceleratore può inoltre essere necessario per motivi di sicurezza. L'orbita dei protoni in circolo potrebbe infatti diventare instabile, e i fasci rischiare di finire fuori strada andando a colpire i bordi dell'acceleratore o (peggio) l'interno dei rivelatori. Per questa ragione la procedura di arresto dei fasci deve essere rapida e indolore.

Non immaginatevi dunque che i protoni vengano rallentati dolcemente e poi fatti uscire con cautela: sarebbe troppo difficile mantenerli in orbita. Inoltre LHC è un acceleratore, non è attrezzato con delle cavità deceleranti. Per carità, magari sarebbe anche possibile immaginare di regolare le cavità acceleranti per lavorare al contrario, ma sarebbe un po' come tentare di fermare un'automobile in corsa inserendo la retro e alzando a colpetti la frizione! Si procede invece con un sistema per certi versi più rozzo (si fa per dire!). Come l'unico modo sicuro di fermare un'automobile in corsa con i freni rotti consiste nel mandarla ad arenarsi su una corsia laterale dal fondo ripieno di sabbia, schiuma o bidoni d'acqua (scendendo giù dal Traforo del Monte Bianco ci sono due o tre di queste deviazioni di sicurezza), per i fasci si agisce analogamente.

Il punto 6 di LHC è attrezzato con degli scambi magnetici che sono in grado di estrarre i fasci dalla loro traiettoria circolare, e di deviarli lungo due gallerie tangenziali all'anello, proprio come su due binari morti. E come per le auto in corsa serve il fondo sabbioso o i bidoni pieni d'acqua per dissipare l'energia cinetica, analogamente i fasci vengono mandati a sbattere... contro un muro!

Beam dump. Alla fine dei due "binari morti" è predisposto infatti un blocco cilindrico di grafite, lungo 7 metri e di 70 cm di diametro, infilata in blocco di cemento di 750 tonnellate, e raffreddato ad acqua. L'energia di un TGV in corsa scalda parecchio, se concentrata in un solo punto.

Proprio per evitare spiacevoli surriscaldamenti locali, un sistema di magneti deflettori inoltre sparpaglia il fascio a monte dell'assorbitore, in modo che non tutti i pacchetti lo colpiscano nello stesso punto, in modo analogo a quando si fa ruotare l'estremità della  pompa per annaffiare il giardino. Ecco l'immagine prodotta dal fascio che colpisce l'ultimo rivelatore di passaggio prima dell'assorbitore:

Naturalmente tutta l'operazione (decisione di fermare i fasci, deviazione fuori dall'orbita circolare, sparpagliamento intorno all'asse principale e assorbimento) deve avere luogo mooolto in fretta; i protoni - ce lo siamo già detto, no? - viaggiano quasi alla velocità della luce! Ah, quasi dimenticavo: la fine dei due tunnel che ospitano i "binari morti" dove vanno a sbattere i fasci di LHC è la zona più radioattiva di tutto il complesso. Non sono zone dove si vada spesso.

Photo credits: LHC outreach, CERN.

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29 Commenti

  1. Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 07:57 | Permalink

    Ciao Marco, non si vede l'immagine "absorber-block", mi pare che il link punti a ../wp-content/uploads/2010/10/absorber-block.jpg invece che a:
    wordpress/wp-content/uploads/2010/10/absorber-block.jpg

  2. Ettore
    Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 08:07 | Permalink

    Marco... grazie! Mi hai risollevato la giornata lavorativa! 😀
    Visto che ci siamo però, qualche domandina provo a fartela.
    Prima di tutto sulla grafite, ho letto che viene usata anche nelle centrali nucleari per "moderare" le reazioni regolando il flusso di neutroni, ma i protoni sono carichi e la grafite è un conduttore, quindi, brevemente, come riesce a frenare? Seconda: come mai c'è solo un punto per il dump? Quando va tutto bene e si decide di buttarli il problema non c'è, ma quando ci sono problemi di orbita o altro (di fattori che possano portare ad un dump automatico dei pacchetti immagino siano molteplici) non sarebbe più comodo avere più punti per il dump invece di farli arrivare comunque in quel punto?
    (Anche se, il caso peggiore sarebbe avere problemi appena dopo aver superato il punto 6 e per fare un giro ci vogliono appena 90us circa... decisamente pochini...).

    Grazie mille!

  3. Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 08:31 | Permalink

    @dgali: sistemato!

    @Ettore: l'uso della grafite ha poco a che vedere con le sue proprietà elettriche, quanto piuttosto con quelle legate alle interazioni nucleari (in sostanza, quanto spesso e velocemente i protoni del fascio interagiscono con i nuclei dell'assorbitore disperdendo energie) e fisiche in generale (per sopportare l'aumento di temperatura senza fondere: stiamo parlando di un gradiente tipico di circa 1500 C!).

    Quanto al fatto che ci sia un solo punto di dump, ti sei risposto da solo: viste le velocità dei fasci, se hai delle instabilità tali da portarti fuori orbita in meno di un giro, beh, sei comunque messo male! Ma in generale, alle prime avvisaglie di oscillazioni non volute, il sistema dumpa al volo prima che sia troppo tardi).

  4. Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 09:46 | Permalink

    Quindi la grafite passa dalla temperatura ambiente a 1500 gradi in brevissimo tempo? Quanto spesso succede il dump?

    E come vi comportate con la faccenda della radioattività? Avete dei segnalatori come i tecnici di radiologia negli ospedali?

    E infine (ultima domanda), quando accade il dump si sente rumore?

  5. Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 11:46 | Permalink

    La temperatura finale del cilindro di dump dipende da molti fattori, primi trai quali l'energia del fascio e la quantità di protoni rimasti in circolo. Prendi i 1500 C come un limite superiore, in questo periodo (con energia dei fasci più bassa e ancora lontani dalle luminosità nominali) la grafite si scalda meno (dove meno vuol comunque dire parecchie centinaia di gradi). Ma in generale la risposta è "si": il beam dump si scalda parecchio in brevissimo tempo.

    Quanto spesso succede un dump? Dipende. In condizioni ottimali diciamo circa ogni 10 ore. Se invece siamo in periodo di "tuning" dei fasci molto più spesso.

    Se si sente rumore? Non ne ho idea! Nessuno si ferma in zona a controllare!

    E si, certo, abbiamo un dosimetro, e per il caso specifico delle zone troppo "calde" anche delle regole di accesso molto severe:

    http://service-rp-dosimetry.web.cern.ch/service-rp-dosimetry/

  6. Stephan
    Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 12:36 | Permalink

    Finalmente si parla di fisica.
    grazie dell'articolo Marco!

  7. Ettore
    Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 13:06 | Permalink

    Qual'è la durata (prevista) per quel cilindro di grafite? Cioè è prevista una sostituzione periodica oppure è stata progettata per tutto il periodo di attività di lhc?
    (Immagino che a forza di dump le proprietà del materiale cambino e quindi anche il suo "potere" di assorbimento)

  8. Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 13:16 | Permalink

    Nel caso che l cilindro di grafite si danneggi a forza di prendere botte è prevista una procedura di sostituzione (complessa, perché l'oggetto è molto radioattivo, e va manipolato a distanza con dei macchinari). Dal poco che ho letto sull'argomento, si parla di sostituzioni potenzialmente necessarie dopo "alcuni anni" di attività.

  9. Stefano
    Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 14:23 | Permalink

    Ciao Marco e grazie dell'articolo! 🙂 Non so se mi sbaglio, ma mi sembrava di aver capito che i neutrini inviati dal CERN fino ai rivelatori del Gran Sasso siano prodotti facendo collidere il fascio di protoni pre-accelerato (che si trova ancora nel SPS) contro una barriera anch'essa di grafite.

    So che non è esattamente in tema ma, ho capito bene? E mi chiedevo è sempre l'interazione tra i protoni e i nuclei della grafite a produrre i neutrini?

  10. Carlo
    Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 15:57 | Permalink

    Non scrivo mai, ma leggo con interesse tutti i tuoi post.
    Una domanda ingenua: non si potrebbe usare l'energia rilasciata durante i bump per rimmetterla nel complesso un po' come si fa in un ciclo combinato di una centrale elettrica?

    E' un'idea che è balenata a qualcuno durante la progettazione oppure non è stata nemmeno considerata per qualche ovvio motivo che io non comprendo?

    Grazie per i tuoi post.

  11. GIGI
    Pubblicato il 19 ottobre 2010 alle 18:19 | Permalink

    Marco, sei in ottima forma, sia nell'articolo, sia nelle risposte. Grazie!
    Vorrei che estendessi i ringraziamenti ad Irene per il suo aggrottar la fronte. Se questo è il risultato, le consiglio di aprire uno studio/ambulatorio di pranoterapia; tu ne saresti cero entusiasta... 😉

  12. Pubblicato il 20 ottobre 2010 alle 09:10 | Permalink

    like!
    😉
    d

  13. Pubblicato il 20 ottobre 2010 alle 11:02 | Permalink

    @Stefano: il principio è simile, nella collisione tra i protoni del fascio e quelli della grafite si producono pioni che decadono in muoni e neutrini muonici. C'è un sistema per filtrare i muoni (che sono carichi) e bloccare il resto, e rimangono solo i neutrini muonici a proseguire verso il Gran Sasso

    @Carlo: onestamente non ne ho idea 🙂 Penso sarebbe complesso e ben poco efficiente, soprattutto se pensi che la maggior parte dell'energia spesa da LHC non ma nell'accelerare i fasci, ma nel mantenere i magneti superconduttori freddi.

  14. Max
    Pubblicato il 20 ottobre 2010 alle 12:03 | Permalink

    ... e' piu' o meno come sperare di utilizzare l' energia di un fulmine 🙂
    Probabilmente si potrebbe fare qualcosa sfruttando la temperatura della grafite, ma non penso che il gioco ne valga la candela.

    Max

  15. Carlo
    Pubblicato il 20 ottobre 2010 alle 13:52 | Permalink

    Ok era una stupidaggine.
    Ma chiedendola mi sono tolto i dubbi.

    Ho letto di fila tutti i vecchi post sul funzionamento LHC.
    Sono veramente didattici.
    Bravo.

  16. alberto dolci
    Pubblicato il 20 ottobre 2010 alle 19:47 | Permalink

    mannaggia ...è tutto molto interessante...complimenti 🙂 e continua 🙂

  17. Francesca
    Pubblicato il 30 ottobre 2010 alle 20:24 | Permalink

    Ciao! che bello vederti di nuovo al lavoro e leggerti ancora!
    una domandina: come ci hai spiegato, il punto più radioattivo di tutto LHC è dove si fa il beam dump... e a LHC questo succede in media una volta al giorno mi par di aver capito, almeno come ordine di grandezza.
    Se non sbaglio il prossimo mega-acceleratore in progettazione è un acceleratore lineare (elettrone-positrone), scelto per non risentire della radiazione di sincrotrone. In questo caso, in cui il beam dump ci sarebbe una volta ogni tot (?! ...microsecondi? ...nanosecondi?) la radioattività non rischia di finire alle stelle? Rispetto ad ora l'ordine di grandezza varia di una bella quantità di zeri! Forse in effetti fermare protoni o fermare elettroni non è la stessa cosa (non dovrebbe esserci il problema dei neutroni con gli elettroni no?), ma questo è sufficiente a riportarci a livelli "normali" di radioattività?
    grazie

  18. Pubblicato il 31 ottobre 2010 alle 22:06 | Permalink

    Ciao Francesca,
    nella tua domanda c'è i parte la risposta! In effetti fermare protoni non è la stessa cosa che fermare elettroni, e il tipo e la quantità di radioattività che i secondi possono indurre nel materiale di dump sono ben diversi da quelle dei primi. Nel caso dei progetti futuri di LInera Collider elettrone-positrone in effetti ci sarà il problema di fermare i fasci dopo ogni collisione: nonostante la frequenza di questi stop, il problema piuttosto sarà dissipare l'energia che tenere a bada la radioattività indotta. In linea di massima si pensa di farlo con... acqua!

  19. gm
    Pubblicato il 17 novembre 2010 alle 13:02 | Permalink

    Ciao Marco, innanzitutto complimenti per il blog! è scritto benissimo e ha il notevole pregio di trasmettere non solo la fisica ma anche la passione che da farla. Ho una curiosità su un eventuale beam dumper per positroni, immagina di sparare un fascio di positroni, d'intensità arbitraria, su una lastra di ferro (probabilmente non sarebbe il materiale adatto per un beam dumper "serio" ma non l'ho scelto a caso) riusciresti a farci un buco? La curiosità nasce da una conferenza di un "ricercatore indipendente" che afferma, senza nessun riscontro da parte della "famigerata scienza Ufficiale", di produrre positroni a piacere, sfruttando la separazione di coppie e e+ delle fluttuazioni di punto zero. Tutto ciò facendo ruotare sfere e magneti e con un dispendio minimo di energia! e come "prova" presenta proprio una lastra di acciao con un foro al centro!
    Ovviamente mi pare un fuffaro, ma la curiosità sull'effetto che farebbero i positroni resta!

  20. Pubblicato il 17 novembre 2010 alle 14:04 | Permalink

    Ciao GM, benvenuto.

    Cominciamo dalle cose serie, della fuffa ci occupiamo alla fine. La domanda è: che cosa fa un fascio di positroni contro una lastra di ferro. Le risposte sono molteplici, e - mi spiace - ma "intensità arbitraria" è parte del problema: quale energia avrebbero questi positroni? Quanti ne spari (in sostanza, per secondo per centimetro quadrato)? Per quanto tempo?

    La risposta alla prima domanda è fondamentale per capire quali processi di interazione siano dominanti. Un positrone che attraversa della materia interagisce fondamentalmente in due modi: in quanto carico ionizza (ovvero fa saltare via un po' di elettroni degli atomi del mezzo che attraversa, perdendo a ogni colpo un po' di energia) e annichila con gli elettroni del mezzo producendo coppie di fotoni, che a loro volta andranno a interagire con la materia circostante in modo diverso a seconda dell'energia che avranno (che dipende ovviamente dall'energia iniziale dei positroni). Globalmente quello che ottieni è uno sciame elettromagnetico, la cui forma ed estensione dipende dalle proprietà della materia attraversata e dall'energia iniziale dei positroni.

    Le altre due domande sono rilevanti per capire se, una volta appurato il comportamento di un singolo positrone contro la tua lastra di ferro, se il flusso totale di positroni che spari - associato all'entità e distribuzione spaziale dei depositi di energia - è tale da comportare dei cambiamenti macroscopici sulla sua lastra (e.g. innalzamento della temperatura tale da provocare fusione).

    Detto questo, tieni conto che i metalli - più alto il loro numero atomico meglio è - sono ottimi per fermare fasci di elettroni, e vengono usati continuamente proprio a questo scopo.

    Venendo infine alla fuffa, se capisco bene il tuo ricercatore indipendente sosteneva di poter separare positroni e elettroni dalle coppie (più o meno virtuali) che verrebbero create nel vuoto quantistico. Per carità, mica dico che sia impossibile farlo, ma ti servirebbe un campo magnetico abbastanza forte, i positroni prodotti sarebbero in media molto pochi, e avrebbero in media un'energia piuttosto bassa. In più ti converrebbe farlo nel vuoto, perché ammesso che tu ci riuscissi, un positrone andrebbe velocemente a interagire con gli elettroni dell'aria circostante ben prima di raggiungere la famigerata lastra. Da qui a bucarla ci passa la differenza tra uno scienziato serio che prima di banfare fa due conti e uno che spara a caso.

  21. Agostino F.
    Pubblicato il 26 gennaio 2011 alle 12:07 | Permalink

    Ciao, prima di tutto complimenti per gli articoli davvero interessanti è veramente difficile trovare in rete materiale sull'LHC per profani.
    A questo proposito avrei alcune domande:
    1) Perchè per accellerare sempre più le particelle c'è bisogno di accellaratori sempre più grandi?
    2)Perchè si usano una serie di accellaratori in cascata? Detta in un altro modo perchè non è conveniente (o possibile) accellerare le particelle utilizzando direttamente l'accelleratore più grande?
    3)Sono gli "scambi magnetici"oltre che a mandare le particelle sui binari morti servono anche a determinare gli scontri? Sono usati anche per far passare le particelle da un accelleratore all'altro? Sarebbe possibile sapere qualcosa in più su come funziona uno scambio magnetico?
    4) Esisteno libri in Italiano per chi come me ha solo un diploma che parli dell'LHC? Se si quale mi consiglieresti?
    Grazie.

  22. Pubblicato il 1 febbraio 2011 alle 12:59 | Permalink

    Al volo:

    1) Perché l'aumento di energia che riesci a ottenere cambiando la tecnologia che accelera (per esempio il tipo di cavità) di solito non riesce a portarti sufficientemente in alto con l'energia, per cui compensi anche con un aumento di dimensioni (= spazio lungo il quale acceleri). E poi, nel caso specifico degli acceleratori circolari, c'è il problema della perdita di energia per radiazione di sincrotrone, che si riduce per raggi di curvatura maggiori.

    2) In parte è una ragione storica (riusare quello che già esiste), in parte perché gli acceleratori più grandi non sono fatti per accelerare le particelle a partire da velocità piccole o nulle, e dunque si aspettano di venir nutriti con particelle che corrano già a sufficienza.

    3) Si. Si. Si. No 🙂

    4) Non ne conosco nessuno specificatamente dedicato a LHC come acceleratore, quasi tutti toccano in qualche modo anche la fisica che con LHC vuoi andare a studiare. Andrebbero bene?

  23. Agostino F.
    Pubblicato il 5 febbraio 2011 alle 16:18 | Permalink

    Grazie per aver gentilmente risposto. Per quanto riguarda il libro mi va bene qualunque cosa basta sia in italiano è scritta in modo che anche un profano possa capirci qualcosa. Io ho letto qualche libro divulgazione scientifica ad esempio Stephen Hawking "Dal Big Bang ai Buchi Neri" e "L'universo in un guscio di noce" se potessi suggerirmi qualcosa del genere che parli di particelle, accelleratori ecc (se poi parla anche dell'LHC bene altrimenti amen) te ne sarai grato.

  24. Fabiano
    Pubblicato il 6 febbraio 2011 alle 11:31 | Permalink

    Io posso consigliarti il primo libro sull'argomento che ho letto tanti anni fa subito dopo aver letto “Dal Big Bang ai Buchi Neri”, la mia prima lettura di divulgazione scientifica.

    Si intitola "Il giardino delle particelle" di Gordon Kane. È un libro del 1995 quindi presenta brevemente LHC come il super acceleratore che "dovrebbe entrare in funzione attorno al 2005". È ben strutturato, è semplice e divertente e non c'è traccia di equazioni. Fa una panoramica sulle particelle note, spiega a grandi linee come funzionano gli acceleratori e i rivelatori e accenna a supersimmetria e materia oscura. Per me fu un buon inizio. 🙂

  25. Pubblicato il 8 febbraio 2011 alle 16:49 | Permalink

    @Agostino: se leggessi in inglese, ti consiglierei certamente "A Zeptospace Odyssey - A Journey into the Physics of the LHC" di Gian Francesco Giudice, che è un fisico teorico del CERN che viene da Padova, ma temo non sia (ancora?) disponibile in italiano.

  26. roberto
    Pubblicato il 8 febbraio 2011 alle 21:06 | Permalink

    ciao Marco complimenti per il tuo sito.Sai sono curioso e pertanto volevo farti una domanda.Lì al Cern si è a conoscenza dell esperimento Rossi-Focardi? Se sì cosa si dice,se invece non ne siete a conoscenza non ha nessuna importanza.Tanti saluti continua così

  27. Pubblicato il 8 febbraio 2011 alle 22:47 | Permalink

    Non so parlare per tutto il CERN, posso semplicemente dirti che io ne sono a conoscenza (la notizia è circolata tra i corridoi), condivido più o meno tutto lo scetticismo e i dubbi che puoi leggere qui:

    http://www.queryonline.it/2011/01/31/il-ritorno-della-fusione-fredda-2/

  28. Agostino F.
    Pubblicato il 9 febbraio 2011 alle 13:48 | Permalink

    Ringrazio sia Marco che Fabiano per i consigli sulle letture. Mi sono informato sono felice di comunicare che il libro consigliatomi da Marco è disponibile in italiano:
    "ODISSEA NELLO ZEPTOSPAZIO. Un viaggio nella fisica dell'LHC"

    E' anche disponibile (sul sito del Cern) il pdf del primo capitolo penso proprio che lo comprerò sembra scritto molto bene.

  29. Pubblicato il 9 febbraio 2011 alle 14:12 | Permalink

    Ganzo, non avevo nemmeno trovato il tempo di controllare! Per chi fosse interessato, il primo capitolo è scaricabile qui:

    https://giudice.web.cern.ch/giudice/zeptospace/zepto-ita.html

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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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