Entrambi i fasci di LHC portati a 6.5 TeV!

OP-vistar_2015-04-11_BothBeams6.5TeV

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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27 Commenti

  1. Paolo Rutelli
    Pubblicato il 12 aprile 2015 alle 14:12 | Permalink

    Good

  2. Augusto Ferrari
    Pubblicato il 12 aprile 2015 alle 18:08 | Permalink

    Sono davvero curioso di sapere se ad energie superiori qualche cosa di nuovo salterà fuori. Però perdonami una domanda... Magari mi sono perso qualche puntata arretrata ma perrchè si dice "vediamo se ad energie superiori salta fuori qualcosa di non previsto dal modello standard?". Voglio dire, avete la precisa sensazione che possa accadere o sperate semplicemente che possa accadere?

  3. andrea lovato
    Pubblicato il 12 aprile 2015 alle 18:35 | Permalink

    egr prof. desidererei sapere perche nella collisione si usano protoni e non neutroni. grazie

  4. Pubblicato il 12 aprile 2015 alle 19:59 | Permalink

    Provo a rispondere ad Andrea e vediamo se dico castronerie:
    per accelerare una particella con sistemi a sincrotrone come LHC servono particelle
    che abbiano una carica elettrica. Infatti è proprio grazie ai magneti ed alla loro carica che
    le particelle vengono sospinte a velocità sempre maggiori; come saprà i neutroni non hanno carica elettrica e quindi non possono essere accelerati con tali sistemi

  5. Pubblicato il 12 aprile 2015 alle 20:16 | Permalink

    @Andrea: Ha già ben risposto Roelloaded: non è impossibile generare fasci di neutroni, ma accelerarli e controllarne le traiettorie come facciamo con i protoni di LHC sarebbe praticamente impossibile.

  6. Pubblicato il 12 aprile 2015 alle 20:19 | Permalink

    @Augusto: ci sono buone ragioni per pensare che la scala a cui il Modello Standard dovrebbe smettere di funzionare, e la "nuova fisica" dovrebbe manifestarsi, sia dell'ordine del TeV. Ragione per cui la maggiore energia a disposizione rende (renderebbe) la probabilià di questi nuovi fenomeni maggiore. Non sono però sicuro di capire la differenza tra "precisa sensazione" o "speranza": per uno scienziato sono (purtroppo o per fortuna) la stessa cosa. Non abbiamo sensazioni o speranze, solo predizioni di fenomeni possibili (ma non garantiti di esistere, sia chiaro!) da andare a cercare.

  7. AUGUSTO
    Pubblicato il 13 aprile 2015 alle 09:02 | Permalink

    grazie Marco per la risposta. In effetti hai ragione tu da un punto di vista formale nel linguaggio scientifico non esiste spazio per quei termini. Io li intendo così:
    Precisa sensazione= probabilità alta
    speranza= probabilità bassa
    di trovare qualcosa di nuovo.
    E' quando sei sicuro che una cosa andrà in una certa maniera anche se non l'hai ancora vista nel concreto perché tutto ti porta a ritenere che quello sarà il possibile risultato: piuttosto che non sei per niente certo che vada in quella maniera e non l'hai ancora vista nel concreto perché poche cose ti suggeriscono che quelli potranno essere gli sviluppi futuri.
    Ma non importa: da un punto di vista scientifico quelle proposizioni in effetti si equivalgono.

    Porta pazienza Marco se ti chiedo, ma cosa intendi con nuova fisica? Cioè stiamo parlando della stessa "rivoluzione" di quando sono state presentate le geometrie non euclidee? Considera che non ho una grossa preparazione matematica (mi fermo al calcolo infinitesimale in campo reale) ma da un po' di tempo in qua mi si è riaccesa una sete di conoscenza che si era sopita da un po'.
    Grazie per tutto quello che riuscirai a spiegare e del tempo che dedichi a questo in anticipo!

  8. Giulio
    Pubblicato il 13 aprile 2015 alle 13:34 | Permalink

    Roelloaded, Marco, Andrea: il campo magnetico NON accelera le particelle (la forza e` perpendicolare alla velocita`); serve a controllare (piegare e focalizzare) le loro traiettorie. L'accelerazione viene fornita da cavita` a radiofrequenza (RF) situate lungo l' acceleratore. In esse viene formato un campo elettrico sincronizzato con il passaggio dei pacchetti di particelle, che ne rivevono una spinta ad ogni passaggio.

  9. Ettore
    Pubblicato il 13 aprile 2015 alle 14:59 | Permalink

    Ciao Marco, compatibilmente con i tuo programmi, progetti, tempo a disposizione ... ecc ecc ... potresti valutare la possibilità di creare qualche post dedicato alla comprensione anche sommaria delle schermate principali di OP-Vistars? Oppure solo un piccolo vademecum sulla terminologia utilizzata... Alcune informazioni sono comprensibili grazie ai tuoi post precedenti, ma altre sono un "mistero / semi-mistero".
    Trovo molto bello che certe informazioni siano accessibili al pubblico ed in tempo reale (ovviamente non sono state rese pubbliche per persone ignoranti come me) ma non capire quello che vedo è frustrante 🙂

    Grazie mille e scusa se sono andato OT ...

    Ettore

  10. Pubblicato il 13 aprile 2015 alle 17:38 | Permalink

    Grazie Giulio della precisazione! Al di là degli interessanti particolari che hai descritto, sostenevo che l'accelerazione è creata grazie ad onde elettromagnetiche e mi sembra che tu me lo stia confermando. Ne approfitto e rilancio: ma quali sono le frequenze in gioco nei risonatori RF? E che altri parametri bisogna manipolare per avere una accelerazione simile?(naturalmente non considerando il lavoro dei magneti focalizzatori)

  11. Giulio
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 09:24 | Permalink

    Roelloaded, la frequenza delle cavita` RF per LHC e` 400.789 MHz. Trovo che sia spiegato bene in questo post (dal sito lhcportal)

    "The beam must always see the same RF each time it passes. What this means is that the RF frequency, the Circumference of the machine and the speed of the particles are related.

    The ratio of the RF wavelength to the circumference is called the harmonic number - in LHC this is 35,640 exactly. Once this is fixed, the exact RF frequency will be determined by the exact circumference of the machine (which is only known once the machine is actually built) and the speed of the particles (which means that the RF frequency actually changes as the beam is accelerated).

    Why 35640? Well there has to be a relationship between the harmonic numbers of the different machines in the accelerator chain in order to make bunch-to-bucket transfers from one machine to another. This cog-wheeling means that only certain combinations of harmonics are possible.

    By the way, the frequency for Pb ions is substantially different from protons. This was quite a complication for p-Pb operation where the two beams have a different revolution frequency during injection and acceleration. During collisions the 2 beams must have the same revolution frequency (and hence the same RF frequency) in spite of having different speeds. This is achieved by moving the Pb slightly inwards and the protons slightly outwards such that the circumference of the machine for each beam was different. "

    In pratica, un periodo RF definisce un intervallo di tempo, una frazione del quale costituisce una regione di stabilita` per un pacchetto di particelle. Se pensi al campo elettrico, e quindi alla forza esercitata su una particella quando passa nella cavita` RF, come una funzione seno da 0 a 360 gradi, a seconda del segno del campo quando una particella passa, questa vedra` una forza che la accelera o la decelera. E' possibile trovare una regione nella quale piccole variazioni nei tempi di passaggio delle singole particelle sono compensate dal diverso valore del campo elettrico in quel momento, cosicche` queste particelle ad ogni giro oscilleranno longitudinalmente intorno a un punto di equilibrio. Bisogna anche aggiungere che questa compensazione e` possibile solo per una particella la cui energia non differisce troppo da quella nominale.
    La lunghezza (nella direzione di viaggio delle particelle) definita da una lunghezza d'onda della RF viene chiamata "bucket".

  12. Ettore
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 10:20 | Permalink

    Quindi, le cavità lavorano a frequenza fissa, però immagino ci sia un trigger legato alla velocità dei pacchetti che sincronizzi la fase delle cavità in modo che il campo prodotto si trovi sempre sincronizzato all'aumentare della velocità dei pacchetti... giusto?
    Se quanto ho detto sopra fosse giusto anche lo squeeze dei pacchetti funzionerebbe con lo stesso principio, sincronizzando opportunamente le cavità sarebbe possibile accelerare una parte del pacchetto e decelerarne un altra in modo da compattarlo...

  13. Augusto
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 10:36 | Permalink

    @Ettore: cos'è un trigger? Perché la necessità di sincronizzare la fase della cavità? Cos'è lo squeeze dei pacchetti?
    @Giulio: Perché piccole variazioni nei tempi di passaggio delle singole particelle sono compensate dal diverso valore del campo elettrico in quel momento? Cioè intendi che le variazioni indotte dal diverso segno del campo diventano trascurabili perché la particella oscilla attorno ad un punto di equilibrio? E poi cosa vuol dire che la il valore di energia della particella non dovrebbe discostarsi troppo da quello nominale?

    Portate pazienza ma se riuscite a descrivermi e definire brevemente quelle cose li forse riesco a seguirvi anche io.... e mi piacerebbe davvero molto! Grazie in anticipo

  14. Ettore
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 11:25 | Permalink

    @Augusto: il termine trigger, in generale può essere riassunto così: una azione che viene attivata quando si verificano delle condizioni prestabilite. Esempio, quando imposti la sveglia per la mattina attivi un contatore (in avanti o alla rovescia), quando questo contatore raggiunge il valore (impostato oppure arriva a zero) genera un segnale per attivare il buzzer che ti sveglia, quel segnale può essere un esempio di trigger, oppure potrebbe essere una azione programmata via software come per esempio le notifiche della ricezione dei messaggi e/o sms ... Non è un termine che individua un qualcosa di specifico.
    Nel mio commento mi riferivo ad un segnale sincronizzato con il passaggio dei pacchetti di protoni.

    Lo squeeze: (Provo a spiegartelo, te lo espongo per come lo ricordo da qualche post di Marco e se dico castronerie sono sicuro che persone molto più competenti mi correggeranno e ti spiegheranno meglio) La nuvola di protoni che compongono un singolo pacchetto che dall'SPS entra in LHC è appunto una nuvola, ogni singolo protone ha una certa distanza fisica da un'altro vicino. Lo squeeze permette appunto di compattare e diminuire questa distanza il più possibile, perchè, come puoi immaginare nel momento in cui due "nuvole" di protoni vengono fatte scontrare, meno spazio c'è tra portoni e più è facile che due di essi collidano. Spero di essere stato chiaro ....

  15. Ettore
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 11:28 | Permalink

    @Augusto: riguardo la sincronizzazione delle cavità prima di rispondere aspetto di sapere se quello che ho scritto è giusto o meno... altrimenti ti darei una spiegazione sbagliata.

  16. Giulio
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 13:49 | Permalink

    Augusto, per capire tutto in dettaglio, devi leggere un libro di fisica degli acceleratori. Ma provero` a spiegare qualcosa in modo semplice. Torniamo all' immagine della funzione seno da 0 a 360 gradi (chiamiamo l'asse x "fase"), e diciamo che il valore della funzione equivale alla forza applicata a una particella che arriva in quel momento. Una particella che arriva con una data fase. Una particella che arriva con fase 180 gradi non vede alcuna forza, quindi non e` ne accelerata, ne decelerata, e la sua energia non cambia. Qui bisogna dire che il tempo di percorrenza nell'acceleratore dipende dall'energia. Per rendere le cose piu` complicate ci sono due possibilita`:
    a) quando la velocita` delle particelle non e` vicino a c, ogni aumento di energia si trasforma in aumento significativo di velocita`, e in una diminuzione del tempo di percorrenza.
    b) (caso dell'LHC) quando la velocita` e` vicino a c, non cambia significativamente se la particella guadagna piu` energia. Pero` una particella con piu` energia viene deviata meno dai dipoli (i magneti che fanno curvare i fasci intorno all' acceleratore) rispetto a una con meno energia. Quella con MENO energia segue dunque una traiettoria piu`interna, e arriva PRIMA di una con PIU` energia.

    Consideriamo ora una particella che arriva un po` prima della fase 180 gradi. La funzione seno e` positiva, quindi la particella aumenta la sua energia, quindi ci mette piu` tempo a fare un giro, e la prossima volta la sua fase sara` piu` vicina a 180 gradi (o li oltrepassera`). Invece una particella che arriva un po' dopo 180 gradi perdera` un po' d'energia, quindi ci mettera` meno tempo a fare un giro, e ripassera` anche essa con una fase piu` vicina a 180 gradi (o li oltrepassera` nell'altra direzione). In pratica le particelle, giro dopo giro, oscillano nello "spazio delle fasi" (un asse e` la posizione, l'altro l'energia) intorno alla posizione sincrona di una particella che arriva con fase 180 e con l'energia "nominale" (l' energia corrispondente al setting dei magneti dipoli che fa si che una particella percorra un'orbita che passa per il centro dei magneti).
    D'altra parte, se la fase iniziale fosse stata minore di 90 gradi o maggiore di 270 (regione instabile), ogni giro farebbe aumentare il "difetto" della particella, che finirebbe persa.
    Inoltre, se l' energia della particella fosse troppo diversa da quella nominale, la compensazione ricevuta a ogni giro non riuscira`a compensare in tempo il difetto, e la particella si "muovera`" verso la regione instabile.

  17. Giulio
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 13:57 | Permalink

    Ettore,
    lo "squeeze" si fa principalmente con dei forti magneti quadrupolari piazzati intorno agli esperimenti, che compattano i pacchetti nelle due coordinate del piano trasversale (quella perpendicolare alla direzione di viaggio, che si chiama longitudinale). Per compattare longitudinalmente si puo` anche agire su un parametro che permette di compensare la differenza di tempo di percorrenza tra particelle con piu` o meno energia. Ma qui si va in cose ancora piu` complicate.

  18. AUGUSTO
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 14:19 | Permalink

    Giulio ti ringrazio. Spiegazione esaustiva e chiarissima: associata alla funzione seno l'hai ricondotta ad una matematica che conosco e tramite la quale mi sono orientato. Dunque se non ho capito male quando ho x=fase e fx=valore della forza applicata alla particella, se velocità prossima a c:
    90<x ho fx>0 quindi particella deviata verso traiettoria più lunga. Al prox giro x=vicino a 180° o x>180°

    180<x ho fx<0 quindi particella devia verso traiettoria più corta. Al prox giro x=vicino a 180° o x ho fx=0 quindi particella non subisce influenze

    se x>270° o 0<x ho la fase instabile che non mi permetterebbe di recuperare le oscillazioni. Alla fine la perdo.

    Portate pazienza per le eventuali castronerie nei formalismi ma credo che il succo sia quello.
    grazie

  19. AUGUSTO
    Pubblicato il 14 aprile 2015 alle 14:20 | Permalink

    ottimo grazie Ettore anche a te!

  20. dario
    Pubblicato il 16 aprile 2015 alle 14:48 | Permalink

    chiedo ufficialmente l'intervento del padrone di casa per semplificare gli scritti di giulio - ettore - augusto...( manca enea e siamo tutti 🙂 🙂 )

    🙂 😉

  21. dario
    Pubblicato il 16 aprile 2015 alle 15:01 | Permalink

    A parte gli scherzi, Marco, è possibile che collidendo a tali alte energie queste particelle si suddividano ulteriormente in altre particelle più piccole ? Un pò come spieghi nel tuo libro, tagliando il pezzo di carta in pezzi sempre più piccoli, sino a che limite si può arrivare ? si torna al tempo di Planck ? quark e leptoni sono veramente i costituenti ultimi della materia ?

  22. Augusto
    Pubblicato il 16 aprile 2015 alle 16:00 | Permalink

    Dario perdonami ma mi rendo conto che si deve essere perso qualcosa per strada nei segni: ho sbagliato a battere o non so cosa sia capitato... Comunque per quello che ne ho capito io in pratica fase instabile nel 4 e 1 quadrante del piano cartesiano. Si perde la particella non la si recupera più.
    Fase stabile in un intorno del punto di equilibrio che è 180 gradi: se è sopra e cioè nel 3 quadrante del piano cartesiano ho fx0 e dunque vale il discorso inverso rispetto a prima.
    180 gradi fase neutra.
    Scusate ancora se ho creato confusione....

  23. Augusto Ferrari
    Pubblicato il 16 aprile 2015 alle 16:04 | Permalink

    confermo ho appena pubblicato una risposta a Dario ma se ne leggono come degli estratti parziali. Non capisco perché... Dario è normale che non riesci a capire sopra, per come appare scritta non capisco nemmeno io quello che ho scritto. Il problema è che quando ho inviato il commento si è come cambiato....

  24. dario
    Pubblicato il 16 aprile 2015 alle 16:49 | Permalink

    Grazie Augusto per il chiarimento...

  25. dario
    Pubblicato il 17 aprile 2015 alle 14:40 | Permalink

    Se si lavorerà con energie di molto maggiori alle precedenti, avrai problemi nella calibrazione del calorimetro di ATLAS ?

    Magari con una nuova ri-taratura dello stesso ?

    E poi come si potranno rilevare eventuali nuove particelle di cui se ne disconoscono le caratteristiche, non si rischia di confonderle con altro ?

    Siamo di fronte ad un foglio bianco su cui riscrivere la fisica delle altre energie ?

    O_O

  26. Ettore
    Pubblicato il 17 aprile 2015 alle 15:24 | Permalink

    Allora, se la frequenza delle cavità RF è 400Mhz vuol dire che ogni buket è lungo 2,5ns ma allora perchè la distanza minima tra bunch è 25ns? Così al massimo la frequenza di collisione è 40Mhz... 1/10 di quella che potrebbe essere ...

  27. Pubblicato il 20 aprile 2015 alle 09:27 | Permalink

    Ciao a tutti, e scusate la latitanza ma sono giusto un dito preso 🙂

    Per le questioni riguardo all'accelerazione vi lascio fare, vedo che ve la state cavando benissimo da soli. Rispondo dunque rapidamente solo a Dario: si, il calorimetro è (sarà) parzialmente da ritarare, non tanto per l'energia maggiore dei fasci, quanto per le condizioni diverse (abbiamo un pezzo di tracciatore centrale in più davanti, abbiamo cambiato la procedura di ricostruzione dei dati, e ci saranno molte più collisioni "sovrapposte" di tre anni fa).

    Per le ultime due domande mi servirebbe un post intero, che metto nella lista infinita delle cose da scrivere 🙂

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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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