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E se non c’è abbastanza spazio per un acceleratore lineare? 10 marzo 2010

Inviato da Marco in : Fisica, LHC, LHC F.A.Q. 9 commenti

Bene, abbiamo prodotto una manciata di protoni a partire dall’idrogeno, e li abbiamo infilati nel nostro acceleratore lineare per dar loro un po’ di energia, e magari mandarli a sbattere da qualche parte. Ma quanta energia siamo riusciti a dar loro? Se avete letto per bene, vi sarete resi conto di una caratteristica fondamentale di acceleratore lineare: per una data differenza di potenziale, più volete accelerare una particella carica, più lungo dovrete fare il vostro acceleratore lineare. Non si scappa.

E quanto lungo vuol dire lungo? Vediamo un po’: il LINAC2 del CERN, quello che sta attaccato subito dopo il duoplasmatron è lungo circa 36 m, ed è in grado di accelerare i protoni fino a 50 MeV. Il nuovo LINAC4 attualmente in costruzione sarà lungo 80 m, e accelererà i protoni alla notevole energia di… 160 MeV! In sostanza, veramente troppo poco rispetto ai 7 TeV di LHC (nel caso vi foste persi, magari è utile ricordare che ci va un milione di MeV per fare un TeV). Con la sola tecnologia di un acceleratore lineare ci andrebbero centinaia se non migliaia di chilometri per portare i protoni alle energia che ci interessano oggi (per gli elettroni sarebbe un;altra storia, ma tralasciamo): non esattamente una soluzione comoda.

Certo, sarebbe interessante poter far passare i protoni più volte attraverso lo stesso tratto accelerante. Immaginate di poter prendere il protone che esce dal vostro linac al massimo dell’energia, e di poterlo prontamente infilare all’ingresso dello stesso linac – senza perdere troppa energia! – così che al nuovo passaggio la particella guadagni un po’ di velocità aggiuntiva. Immaginate di poter ripetere la stessa operazione qualche milionata di volte: ecco che le alte energie diventano accessibili. Già , ma come fare? Vi servirà una struttura a “circuito“, un po’ come nelle gare ciclistiche del chilometro lanciato: entra in campo il sincrotrone.

L’idea è semplice: su una struttura ad anello dispongo uno o più tratti acceleranti rettilinei (dei piccoli linac, insomma, rappresentati nel disegno qui sotto dai rettangoli arancioni), e li collego tra di loro con dei tratti che curvino le particelle e le mantengano in orbita (quasi) circolare, riportandole al punto di partenza tante volte quante sono necessarie per salire all’energia voluta (nel disegno qui sotto sono i tratti blu). Come si curva la traiettoria di una particella carica? In breve, con un campo magnetico (mai sentito parlare della forza d Lorentz?): ecco a cosa servono i famosi dipoli di un sincrotrone (e dunque, tra gli altri, di LHC). Di tanto in tanto è bene che mettiate anche qualche magnete speciale – un quadrupolo focalizzante – che vi compatti i protoni in modo che non si disperdano lungo l’orbita (nel disegno qui sotto, i quadrati rossi).

La traiettoria circolare di un sincrotrone è una bella trovata, ma ha qualche effetto collaterale. Se infatti una particella carica accelerata in linea retta acquisisce energia, quando tentate di curvarne la traiettoria con un campo magnetico tenderà a perderne un po’ sotto forma di radiazione di sincrotrone. Per questo motivo a ogni giro, entrando nuovamente nel tratto accelerante, le particelle non avranno esattamente l’energia che avevano all’uscita dello stesso tratto al giro precedente. Ma insomma, sempre meglio di niente! L’intensità della radiazione di sincrotrone dipende dal raggio di curvatura della traiettoria: per ridurre l’effetto potete dunque decidere di fare un anello più grande. Nel caso stiate accelerando particelle leggere (per esempio elettroni) – la cui perdita di energia nelle curve è maggiore – dovrete mettere più tratti acceleranti (per dire: a LEP per gli elettroni e i positroni ce n’erano circa un po’ più di un centinaio, a LHC per i protoni ne basta uno). Ecco le cavità acceleranti di LHC:

Mentre in questa immagine potete vedere i caratteristici dipoli blu di LHC, che occupano la maggior parte dei 27 chilometri del tunnel, a cui si alternano di tanto in tanto i quadrupoli, ovvero le porzioni di tubo dall’esterno argentato:

Al CERN sono fiorite intere generazioni di sincrotroni di ogni dimensione, gli uni collegati agli altri in cascata, ma di questo parliamo al prossimo giro. Di tanto in tanto potrebbe venirvi in mente di mettere lungo la traiettoria un rivelatore, per vedere che cosa succede durante le collisioni: ma per far collidere le particelle avrete bisogno di due fasci di protoni che circolino in direzioni opposte: anche di questo discuteremo in una puntata futura.

Photo credits: CERN, CERN.

Il CERN usa Twitter, ma mica solo lui 8 marzo 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, CERN, LHC, Mezzi e messaggi 9 commenti

Che il CERN si fosse messo a usare Twitter per tenere aggiornato il mondo intero sullo stato di LHC credo di avervelo già detto. Nel caso ve lo foste perso, anche ATLAS e CMS si sono lanciati nel magico mondo del microblogging. Che bello, che bello, abbiamo tutti Twitter, ergo siamo dei grandi comunicatori moderni. O no?

Lo stream Twitter del CERN, così come quelli degli esperimenti di LHC, è certamente una buona cosa, e ci dice che qualcuno di vagamente aggiornato sulle nuove tecnologie e lo stato dell’arte della comunicazione digitale ha preso in mano le cose anche da queste parti. Da qui a poter imparare qualcosa da questi cinguettii però ce ne passa un bel po’. Un po’ perché per cinguettare per bene ci va una certa arte (per dire, persino io ho un account Twitter, ma mica lo vado a dire in giro, che non lo uso praticamente mai!), un po’ perché queste pagine rimangono canali ufficiali, dove troverete dunque solo i massaggi approvati dai vari management. Cosa certamente buona e giusta, ma a volte un po’ troppo poco succosa.

Per esempio, se date un’occhiata ai vari account oggi, ci troverete principalmente auguri alle donne in occasione della Giornata Internazionale della Donna (a proposito, signore e signorine: auguri!). E dai giorni precedenti soltanto pochi messaggini, messi lì a dire al mondo quanto siamo bravi e come stai procedendo spediti verso il successo. Ecco un’istantanea del CERN:

e di ATLAS:

e di CMS:

E LHC? Come vanno per davvero le cose? Dove sono i dettagli truculenti, lo sporco di grasso, il ronzio dei trasformatori e i segni dei cacciaviti? Beh, a saperlo, ci sarebbe anche un signore che si chiama Andrew Elwell, che lavora su LHC e twitta sotto lo pseudonimo di @lhcstatus, recuperando le sue informazioni in modo automatico con uno script OCR dalla pagina dello stato della macchina. Mentre oggi tutti fanno gli auguri alle signore (ehi! Di nuovo auguri!), ecco che cosa ci racconta invece lui:

Niente male, vero? Certo, un po’ tecnico, ma dannatamente dettagliato. Onestamente, lui è la sola vera ragione per cui uso Twitter: più rapido che i logbook elettronici, piuttosto affidabile, spesso arriva prima delle altre notifiche. Se oggi vi sentite un po’ geek, sottoscrivete e seguite. Ma che sia chiaro: non provate nemmeno a venire a chiedermi che cosa significa “An AUG triggered in point 7 due to bad contact” o “ready for injection beams on the TEDs“. Come tutti i linguaggi mistici, non si svelano i segreti della gilda interna ai non-iniziati. Buon divertimento.

Lucio Rossi sull’incidente di LHC: sono stati commessi degli errori 4 marzo 2010

Inviato da Marco in : CERN, Fisica, LHC 30 commenti

Finalmente qualcuno ha il coraggio di dirlo chiaramente. Certo, da queste parti il sottoscritto ha più volte messo la questione sul tavolo abbastanza esplicitamente, ma il sottoscritto non ha alcuno peso politico in queste genere di affari, dunque la cosa non conta. Di che parlo? Ma di LHC, ovviamente, e dell’incidente che ci ha obbligati a uno stop di un anno, a una serie imprevista e immane di riparazioni e migliorie (in parte fatte e in parte ancora da fare), e a un run iniziale a energia ben più bassa di quella che avremmo voluto e dovuto avere.

Oggi per la prima volta leggo di qualcuno che affronta la questione del…

(…) come mai la macchina si fosse rotta e di chi fosse la colpa. La colpa, sì, perché anche se non detto apertamente nei primi giorni, il punto era capire come mai, ma anche per quale negligenza o responsabilità l’incidente si era prodotto.

Il qualcuno in questione è Lucio Rossi in un editoriale pubblicato da ScienzaInRete, Per inquadrare il peso delle dichiarazioni che seguono, è bene ricordare che Lucio Rossi è il capo della divisione Magneti, Superconduttori e criostati del CERN, qualcuno che negli ultimi anni ha dunque passato il suo tempo a supervisionare e gestire la produzione e il test di tutti i magneti di LHC. E che prosegue:

Come in tutti gli incidenti, la causa ultima è un errore umano: una concezione insufficiente, un’esecuzione difettosa, una procedura con smagliature, dei controlli inadeguati.

(…)

Abbiamo affrontato il problema dell’installazione, interconnessione e collaudo, con troppa spavalderia o meglio con una mancanza di umiltà di base: non siamo partiti dal principio che l’errore è connaturato con il nostro agire e quindi non ci siamo chiesti: ci sarà almeno un difetto grave tra le 10′000 e più interconnessioni, e cosa succede se non lo intercettiamo? E come intercettarlo almeno prima che faccia un danno ingente? Ora sappiamo che possiamo vedere difetti anche molto più piccoli di quello dell’incidente, possiamo tranquillamente riconoscere che la parte d’integrazione di sistema non era stata sufficiente affrontata.

Una dichiarazione del genere, per quanto tardiva, è una boccata di aria fresca per chi come me ha sempre avuto l’impressione che dopo l’incidente il (precedente) management di LHC si sia troppo spesso arrampicato sugli specchi, nascondendosi dietro la scusa della complessità della “macchina unica che è il prototipo di se stessa”. Complessità che c’è, chiaramente, ma che forse avrebbe dovuto ispirare una cautela maggiore, e, proprio come sottolinea Rossi, una maggiore umiltà.

P.S. Umili ma determinati, adesso vediamo di farlo funzionare senza rogne e intoppi, please.

Aggiornamento [8/3/1010]: persino Nature discute le dichiarazioni di Lucio Rossi, con un articolo dall’intrigante titolo: Gli errori di progetto hanno condannato LHC? La lettura vale la pena, specie quella dei commenti.

Come si accelera una particella (carica)? 3 marzo 2010

Inviato da Marco in : Fisica, LHC, LHC F.A.Q. 32 commenti

Dopo aver ricavato un ben po’ di protoni dalla vostra bottiglietta di idrogeno volete accelerarli, ovvero metterli in movimento e fare acquisire loro energia. Perché volete farlo? Perché energia equivale a massa, come insegna il buon Einstein, ergo facendo sbattere particelle leggere ma molto energetiche potete produrre particelle ben più pesanti. Ma questa è un’altra storia.

Accelerare i protoni, dicevamo dunque. Come facciamo? Sfruttiamo il fatto che si tratta di particelle cariche (positivamente), e le mettiamo in un campo elettrico generato da una differenza di potenziale (qualcosa di simile a una pila, insomma). Sollecitate dal campo i protoni si mettono in moto allontanandosi dal polo positivo e correndo verso quello negativo, più o meno così:

La limitazione di un sistema a due soli elettrodi come quello della figura qui sopra è che, per accelerare un protone ad alta energia, dovreste mettere tra gli estremi una differenza di potenziale veramente troppo grande. I fisici sono notoriamente ingegnosi, e hanno risolto il problema costruendo invece un sistema a poli alternati, fatto (più o meno) da una serie di elettrodi cilindrici bucati (all’interno dei quali c’è il vuoto, e che i protoni possono attraversare) tra i quali viene alternata la direzione del campo elettrico. Si inizia dunque da una configurazione di questo tipo:

dove il protone viene accelerato fino al secondo elettrodo. Nel momento in cui il protone passa attraverso il secondo elettrodo (grazie alla velocità che ha acquisito nella prima sezione) viene invertita al volo la polarità della differenza di potenziale, e il secondo elettrodo – che fino a un momento prima era “attrattivo” – diventa “repulsivo”, mentre il terzo diventa attrattivo e così via:

Il protone ha già una certa velocità acquistata nel primo tratto, l’accelerazione nel tratto successivo non fa che aumentarla (se volete esercitarvi ad accelerare qualche particella a mano, potete sempre provate la simulazione interattiva del Microcosmo del CERN).

Nota per i curiosi: se la distanza tra gli elettrodi è costante, il tempo necessario a passare tra il secondo e il terzo elettrodo è inferiore a quello necessario tra il primo e il secondo, essendo la velocità del protone aumentata. Le soluzioni a questo fenomeno sono fondamentalmente due: aumentare il ritmo a cui si inverte la polarità del campo per stare in sincrono con il passaggio delle particelle, o distanziare opportunamente gli elettrodi, aumentando lo spazio tra due accelerazioni successive, come nel modello di acceleratore lineare di Luis Alvarez:

In generale, gli acceleratori di questo genere si chiamano in gergo “linac” (“linear accelerator“): possono servire come collisori (per esempio contro un bersaglio, oppure mettendone due uno di fronte all’altro), oppure come pezzo iniziale di un complesso di tanti acceleratori in cascata (come facciamo qui al CERN, e come vi spiegherò in un’altra occasione).

Nella realtà (e in acceleratori più complessi) le cose sono ovviamente un dito più complicate delle semplificazioni dei miei racconti: qualcosa di simile all’inversione della polarità viene per esempio assicurata da un generatore di radiofrequenza, e la successione di elettrodi in molti casi è rimpiazzata da cavità risonanti come questa:

o questa:

Ma insomma, in fondo il principio rimane lo stesso.

Photo credits: CERN, CERN.

Da dove arrivano i protoni che circolano in LHC? 1 marzo 2010

Inviato da Marco in : Fisica, LHC, LHC F.A.Q. 27 commenti

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.

Iniezione 25 febbraio 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, CERN, Fisica, LHC 8 commenti

No, dico, chissà, magari vi state chiedendo perché da settimane latito su queste pagine, non scrivo un piffero e trascuro persino i commenti. Nel caso siate inquieti per la mia sorte, potrebbe giovare sappiate che da queste parti siamo in attesa dell’iniezione del primo fascio di LHC per il periodo di run 2010-1011 a alta energia.

“Siamo in attesa” significa che il fascio potrebbe arrivare domani (a meno che non ci sia qualche altro piccolo quench controllato qui e là a guastare la festa), con i primi splash event immediatamente dopo. Le prime collisioni di routine a 900 GeV sono previste intorno all’8 Marzo, poi un mesetto di messa a punto e – salvo problemi – collisioni a 7 TeV a inizio Aprile.

Perdonerete, è un periodo un tantino convulso.

1 femtobarn inverso a 7 TeV, e niente rischi 5 febbraio 2010

Inviato da Marco in : CERN, Fisica, LHC 22 commenti

Dopo un mesetto di pausa passato a digerire i dati a 900 GeV e 2.36 TeV presi tra Novembre e Dicembre 2009, le operazioni di LHC tornano a essere d’attualità. La settimana scorsa c’è stato l’annuale meeting di Chamonix, quello un cui i macchinisti di LHC si ritrovano per fare il punto e decidere come operare nell’anno che viene. Quest’anno l’incontro era particolarmente importante: dopo i successi del run a bassa energia della fine del 2009, qui eravamo tutti in attesa di sapere a quale energia nel centro di massa avremo accesso nel 2010 (solo 7 TeV, o anche 10 TeV?) e quanti dati potremo raccogliere. Come sempre, le presentazioni del workshop sono disponibili a tutti sul web, e proprio oggi pomeriggio è in corso una serie di presentazioni riassuntive che i curiosi possono andare a guardarsi.

Il dilemma principale dei macchinisti è stato il seguente: possiamo portare la macchina (ovvero, alzare opportunamente le correnti dei magneti superconduttori) in condizioni di gestire fasci a 5+5 TeV senza rischiare una altro incidente? Come forse ricordate, le connessioni tra i magneti di LHC mostrano in troppi casi una resistività troppo alta per sopportare correnti elevate senza incorrere in fastidiosi archi voltaici. Le risposte del workshop possono riassumersi così:

A questo punto, bisognava scegliere tra due scenari:

Non c’è stato molto gioco. Da ogni parte (i macchinisti, il management del CERN, gli esperimenti) ci si è detti d’accordo per il secondo scenario. La decisione presa è di operare LHC a 7 TeV fino a quando non si riesca a raccogliere 1 femtobarn inverso di dati, e in caso questo risultato si raggiunga prima della fine del 2010 (improbabile), fino alle fine del 2010. Poi ci si fermerà quanto serve per portare la macchina a operare a 14 TeV, mentre gli esperimenti passeranno il loro tempo a digerire i dati presi e (speriamo) produrre risultati.

È una buona scelta? Viste le condizioni, sicuramente si. Permette di non prendere rischi inutili, e di mettere noi fisici in condizione di masticare qualche risultato concreto. In fondo, a essere sinceri, ce lo aspettavamo, no? La cosa interessante da discutere adesso sarebbe: che cosa si può fare con 1 fb-1 di dati a 7 TeV? Cosa si può scoprire? Cosa si può escludere? Ne parliamo alla prima occasione.