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LHC Q&A 3. Quanta energia è immagazzinata nei fasci di LHC? È tanta o poca? 13 luglio 2010

Inviato da Marco in : LHC, LHC F.A.Q. 17 commenti

“Q&A” sta per “Questions and Answers”. Ma anche per “Quake Arena”, “Qantas Airways” o “Quinolinic Acid“, tanto per dire… :-) Se hai un dubbio o una curiosità su LHC che non ha ancora trovato risposta in questa serie di articoletti, non esitare a palesarlo nei commenti. Chissà, prima o poi potrei anche rispondere.

Quanta energia è immagazzinata nei fasci di LHC?

Parecchia. Ok, ho capito, volete sapere una cifra: in questo caso la risposta è dipende. Come già in passato, possiamo fare il conto per le condizioni nominali dei fasci, e da queste eventualmente potete estrapolarvi da soli le cifre per le condizioni correnti. In condizioni nominali ogni fascio ha 2808 bunch, ognuno popolato da circa 100 miliardi di protoni, ognuno con un’energia di 7 TeV. Una semplice moltiplicazione ci dice che 2808 * 1011 * 7 TeV sono circa 2 1015 TeV. Un TeV equivale a circa 1.6 10-7 J, da cui deduciamo che un fascio nominale di LHC porta in giro un’energia di più di 300 MJ (megajoule).

Trecento megajoule sono tanti o pochi?

Di nuovo, dipende. Immaginate un treno, diciamo un TGV francese: pesa circa 400 tonnellate, il che vuol dire che si porta a spasso 300 MJ quando viaggia a circa 150 km/h. Un TGV lanciato a 150 kn/h è un oggetto al quale bisogna certamente fare attenzione, potenzialmente pericoloso e certamente distruttivo se lanciato contro – mmm, vediamo – il bar della stazione. L’energia in questione sarebbe di sicuro sufficiente a radere al suolo il suddetto bar e i suoi avventori, esattamente come basterebbe (opportunamente concentrata e diretta) a far fondere un blocco di rame di circa 500 kg. Cosa ne deduciamo: che un fascio di LHC è un oggetto potenzialmente pericoloso per le attrezzature dell’acceleratore che lo circondano. Nel caso in cui un fascio diventasse instabile, nessuno da queste parti vorrebbe certo vederlo andare a colpire il suo pezzo di equipaggiamento preferito. Ma, esattamente come nessuno si stupisce che sia possibile frenare un TGV lanciato a 150 km/h fino a fermarlo dolcemente in stazione, è possibile fermare un fascio di LHC senza fare danni. Il punto è che occorre farlo velocemente, perché, viaggiando i protoni a quasi la velocità della luce, uno rischia di ritrovarli dove meno vorrebbe piuttosto in fretta. Come lo si ferma ve lo spiego la prossima volta.

LHC Q&A 2. Quante collisioni al secondo avvengono dentro LHC? Quanto tempo rimane un fascio all’interno dell’acceleratore? 6 luglio 2010

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“Q&A” sta per “Questions and Answers”. Ma anche per “Quality Assurance”, “Queensland Athletics” o “Queen Amidala”, tanto per dire… :-) Se hai un dubbio o una curiosità su LHC che non ha ancora trovato risposta in questa serie di articoletti, non esitare a palesarlo nei commenti. Chissà, prima o poi potrei anche rispondere.

Quante collisioni al secondo avvengono dentro LHC?

La risposta, come spesso in questi casi, è “dipende”. Dipende dal numero di bunch in ogni fascio, dal numero di protoni in ogni bunch, e dall’energia dei protoni. Possiamo fare un conto con i valori nominali di queste grandezze, e una volta capito il trucco potete tentare di estendere alla situazione corrente. Diciamo dunque che in ogni fascio ci siano i 2808 bunch nominali, spaziati da circa 7 metri, ovvero 25 ns; e che ogni bunch sia comporto dai 1011 protoni nominali. La spaziatura dei bunch corrisponde a una frequenza di incontro tra bunch nelle zone di collisioni di 40 Mhz, anche se nella realtà ci sono però dei “buchi” che separano diversi treni di bunch consecutivi (le ragioni dei buchi sono molteplici: la principale è permettere l’intervento di magneti “deviatori” per spostare il fascio dalla traiettoria circolare, e mandarlo a morire altrove quando serve fermarlo). Per tenere conto dei “buchi”, la frequenza media di incontro tra bunch può essere ragionevolmente calcolata moltiplicando il numero di bunch in un fascio per il numero di giri dell’acceleratore che un bunch fa in un secondo a quell’energia del fascio. Nelle condizioni nominali (7 TeV per fascio) abbiamo dunque 2808 bunch per 11245 giri al secondo, che fanno circa 31.6 MHz. In ogni bunch ci sono circa 100 miliardi di protoni, ma la probabilità che uno di questi collida con un protone del bunch che incontra in senso opposto è piuttosto bassa (e dipende ovviamente dall’energia dei protoni). A 14 TeV ci aspettiamo al massimo una ventina di collisioni per ogni incontro di due bunch da 100 miliardi di protoni ciascuno. Moltiplicando questo 20 per i circa 30 MHz calcolati poco fa, otteniamo un massimo di circa 600 milioni di collisioni al secondo nelle condizioni nominali. Mica tutte interessanti, però, ma questa è un’altra storia.

Quanto tempo rimane un fascio all’interno dell’acceleratore?

Una volta portato all’energia di lavoro, un fascio di protoni dentro LHC può circolare per parecchie ore, diciamo a una decina, prima che i suoi bunch si siano consumati a forza di collidere, e sia venuto il momento di riempire la macchina con fasci nuovi. Tenendo conto che l’anello di LHC è lungo 27 km, e che (a energie nominali) un bunch fa 11245 giri dell’anello al secondo, in dieci ore questo gruppetto di protoni avrà percorso più di 10 miliardi di chilometri (ci sono 3600 secondi in un’ora, che fanno più di 40 milioni di giri all’ora). Che sono circa come andare da qui fino a Nettuno e ritorno. Non male.

Treni di protoni raggruppati in pacchetti 5 luglio 2010

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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!

LHC F.A.Q. (semiserie) 1 luglio 2010

Inviato da Marco in : Fisica, LHC, LHC F.A.Q., Nuvole parlanti 12 commenti

D: Come funziona LHC?

R: Non capisci nemmeno la matematica di quinta elementare, dunque cosa lo chiedi a fare?

D: Che cosa succederebbe se entrassi dentro LHC?

R: Non. Ci. Provare.

D: Quanti chilometri di tubi e altra roba ci sono dentro LHC?

R: Un bazilione.

D: Quanto è costato?

R: Quaranta squilioni.

D: A che cosa serve questo interruttore qui?

R: Non toccarlo per nessun motivo.

D: Che cosa succederebbe se – mmm, vediamo – metteste un gatto dentro LHC?

R: NON LO SO.

D: Se mi concentrassi veramente fortissimo, sarei mai capace di capire LHC?

R: No.

Roz Chast è una vignettista del New Yorker. Adesso me le stampo e me le tengo in tasca per quando arrivano le scolaresche (“A cosa serve questo interruttore qui?” davanti agli armadi di distribuzione dell’alta tensione è sempre stato un classico).

(hat tip a Symmetry Breaking)

Cosa dovremmo aspettarci da LHC? 1 giugno 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, Fisica, ICHEP 2010, LHC 18 commenti

(Questo post è la traduzione di quest’altro, scritto originariamente in inglese per Blogging ICHEP 2010. Grazie a Stephan per la traduzione iniziale, che ho rimaneggiato un po’ perché suonasse “mia”. Ma quanto è più facile scrivere di fisica in inglese? E quanto è strano tradurre se stessi?)

Giugno sta arrivando, le conferenze estive si avvicinano e i fisici di LHC lavorano febbrilmente per produrre i primi risultati da mostrare.

Nei prossimi mesi tre saranno le principali conferenze dove verranno presentati i risultati degli esperimenti di LHC: la piu vicina è Physics At LHC, che si terrà a Desy in Germania la seconda settimana di Giugno. la seconda è… ehm… ICHEP; la terza è l’Hadron Collider Physics Symposium a Toronto, alla fine di Agosto. I risultati che possiamo aspettarci vengano presentati a ciascuna conferenza sono piuttosto diversi. LHC sta infatti continuamente producendo collisioni protone-protone a 7 TeV: più in là nel tempo è la conferenza, maggiore sarà la luminosità integrata che gli esperimenti riusciranno a usare per le loro analisi.

È possibile tentare di predire che cosa probabilmente mostreranno ATLAS e CMS a ICHEP? Beh, non è banale: anche assumendo una perfetta efficienza dei due esperimenti nel raccogliere i dati e analizzarli, le condizioni dei fasci di LHC migliorano costantemente ogni giorno, e la luminosità integrata raggiungibile a – diciamo – metà Giugno potrà variare di parecchio.

Proviamo invece a fare un esercizio diverso: quali sono i risultati che verranno probabilmente presentati a una qualche conferenza in funzione della luminosità integrata a 7 TeV raccolta, a partire da quel poco che sappiamo essere già stato raccolto dagli esperimenti, fino al 1 fb-1 promesso dalla macchina per la fine della presa dati 2010-2011? Una cautela: quella che segue è una lista sicuramente approssimata, potrei aver dimenticato qualche segnale importante qua e là, e la mia visione delle cose è certamente influenzato dalla mia esperienza in ATLAS. Ecco dunque che cosa otterremo (o cosa abbiamo già ottenuto):

  1. 10-100 \mub-1: qualche milionata di pioni carichi, per rifare serenamente l’analisi della molteplicità delle particelle cariche già pubblicata coi dati raccolti a 900 GeV; qualche decina di J/\psi \to \mu \mu, qualche jet qua e là. Ogni risonanza che può essere vista col tracciatore centrale (come K e \Lambda) a questo punto è stata vista; i segnali di \pi^0 e \eta che decadono in coppie di fotoni sono stati visti e ben isolati.
  2. 100-1000 \mub-1: qualunque sospetto iniziale di un picco di J/\psi \to \mu \mu dovrebbe essere ormai chiaramente visibile;
  3. 1-10 nb-1: sempre più jet. E ovviamente molte più misure legate ai jet.
  4. 10-100 nb-1: qualche decina di W comincia a far capolino tra i dati, i più fortunati potrebbero aver visto qualche bosone Z. Una prima osservazione inclusiva di elettroni diretti dovrebbe essere possibile.
  5. 100-1000 nb-1: jet, jet e ancora jet. Una prima misura inclusiva di muoni diretti dovrebbe essere fattibile. Analogamente, un primo segnale di fotoni diretti dovrebbe essere stato isolato.
  6. 1-10 pb-1: ATLAS e CMS dovrebbero aver raccolto abbastanza W e Z per tentare una prima misura della sezione d’urto di produzione. Potrebbero persino pretendere di aver visto il quark top.
  7. 10-100 pb-1: prime misure di fisica del B, e qualcosa potrebbe già venir detto su qualche scenario teorico esotico, o su qualche punto dello spazio dei parametri delle super-simmetrie.
  8. 100-1000 pb-1: arrivati a questo punto, uno potrebbe anche ottimisticamente sperare in qualche timida notizia sul bosone di Higgs (o meglio, sulla sua esclusione in certe regioni di massa), almeno dove la sensibilità degli esperimenti è maggiore.

Dove ci troviamo oggi? ATLAS e CMS galleggiano intorno al punto 4. (o meglio, entrambi dalle parti della soglia inferiore dei 10 nb-1), e risultati corrispondenti a quella luminosità integrata saranno quasi certamente mostrati a Physics At LHC, insieme con una valanga di studi sul comportamento dei rivelatori e le loro perfomance. La domanda resta dunque: quanta luminosità integrata riuscirà a fornire LHC prima di ICHEP? Visto che questo post è già abbastanza lunghetto, rimando i miei tentativi di previsione a uno dei prossimi. Restate sintonizzati.

What should we expect from LHC? 28 maggio 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, Fisica, ICHEP 2010, LHC 24 commenti

(Primo post scritto per Blogging ICHEP 2010. Appena ho un minuto lo traduco, promesso, ma pare che a qualcuno possa interessare già così. Fare le pulci al mio inglese è severamente proibito).

June is coming, summer conferences are approaching, LHC physicists are feverishly working to produce results to show.

In the next few months there will be three main conferences where physics results from the LHC experiments will be presented: the nearest one is Physics At LHC, that will take place at Desy in Germany the second week of June; the second one is, erm… you know… ICHEP; the third one is the Hadron Collider Physics Symposium in Toronto, at the end of August. The kind of results one might expect to be presented at each of these conferences is rather different. The LHC is in fact steadily delivering proton-proton collisions at 7 TeV: the farther in time the conference, the more integrated luminosity the experiments will be able to use for their analyzes.

Could we try to guess what is likely to be shown at ICHEP by ATLAS and CMS? Well, it’s definitively not an easy prediction: even assuming a perfect efficiency of the two experiments in collecting the data and analyzing it, the LHC beam conditions are improving every day, and the exploitable integrated luminosity at – let’s say – mid July can largely vary.

Let’s then try first a different exercise: which results are more likely to be seen at a conference as a function of the integrated luminosity collected at 7 TeV, from the small amount we already know as been secured by the experiments to the 1 fb-1 promised by the machine for the end of the 2010-2011 running? Warning: what follows is a very approximate list, I might have missed important signals here and there, and my judgment is certainly biased by my ATLAS experience. Here’s what we’ll get (or what we already got):

  1. 10-100 \mub-1: millions of charged pions to happily redo the charged multiplicity analysis published with the 900 GeV data collected in 2009; a few tens of J/\psi \to \mu \mu, a few jets here and there. Any resonance that can be spot using the tracker system (like K‘s and \Lambda‘s) has been been seen at this point; signal from \pi^0 and \eta decaying in photons pairs is found and well isolated.
  2. 100-1000 \mub-1: any hint of a J/\psi \to \mu \mu peak should now be clearly visible;
  3. 1-10 nb-1: more jets. And of course more jets-related measurements.
  4. 10-100 nb-1: a few tens of W begins to appears in the data. The lucky ones might have seen a few Z bosons. A first observation of prompt inclusive electrons should be at reach at this point.
  5. 100-1000 nb-1: more and more jets. The first inclusive muon measurements should be feasible. Signal from prompt photons should have been isolated.
  6. 1-10 pb-1: at this point ATLAS and CMS should have secured enough W and Z to dare to attempt a first cross-section measurement. They might be able to pretend to have seen the top quark.
  7. 10-100 pb-1: first B-physics related measurements. Something could already be said about some exotic scenarios, and some SUSY points.
  8. 100-1000 pb-1: at this point, one could even optimistically hope in some timid news about the Higgs boson (exclusion), at least where the sensitivity is higher.

Where do we stand today? ATLAS and CMS are today around point 4. (more around the 10 nb-1 lower end, anyway), and that kind of results will most likely be shown at Physics At LHC together with a lot of performance studies. The question is then: how much more luminosity will the machine be able to deliver before ICHEP? Since this post is already long enough, I will postpone my educated guesses to the next ones. Stay tuned.

Blogging ICHEP 2010 18 maggio 2010

Inviato da Marco in : Fisica, LHC, Mezzi e messaggi 8 commenti

Le conferenze di fisica delle particelle si dividono tradizionalmente tra conferenze d’inverno (dove l’inverno va da metà Febbraio a fine Aprile) a conferenze estive. Le conferenze d’inverno si tengono di solito in località sciistiche, e sono organizzate in modo da permettere agli astanti di sciare qualche ora tra la sessione del mattino e quella del pomeriggio. Quelle estive di tengono invece in posti diversi ogni anno, dando così l’occasione ai fisici di girare il mondo con la scusa di raccontare e ascoltare quello che succede nell’ambiente.

Parlando di conferenze, quest’anno ovviamente c’è una certa attesa dei primi risultati di LHC: la macchina continua infatti a produrre collisioni a 7 TeV, gli esperimenti a raccogliere dati, e le collaborazioni ad analizzarli. Gli appuntamenti salienti nei prossimi mesi sono fondamentalmente tre: Physics At LHC a DESY in Germania a inizio Giugno, ICHEP a Parigi a fine Luglio, e l’Hadron Collider Physics Symposium a Toronto a fine Agosto. Si tratta di conferenze piuttosto diverse: la prima e l’ultima sono esplicitamente dedicate a LHC, mentre ICHEP è una conferenza “generalista” dove, insieme ai risultati di fisica della alte energia agli acceleratori, ci sono sessioni dedicate alla fisica teorica, all’astrofisica delle particelle, alla cosmologia, alla fisica dei neutrini. Questo genere di conferenze ha secondo me un interesse particolare: se da una parte infatti non sono certo il luogo dove apprendere ogni dettaglio di ogni analisi dei dati di LHC, dall’altra rappresentano un’ottima occasione per variare un po’ gli orizzonti, e aggiornarsi un po’ su quello che succede in campi affini (sempre di particelle e di alte energie parliamo) che spesso un fisico concentrato su un esperimento a un acceleratore sfiora soltanto nella sua routine quotidiana.

Rispetto ai risultati di LHC lo scenario alle tre conferenze estive sarà piuttosto differente: tra inizio Giugno a fine Agosto la quantità di dati disponibile per le analisi passerà – se cose vanno avanti come stanno andando – da “appena un po’” a “un mucchietto dignitoso” a “forse abbastanza”, cambiando di parecchio il tipo di risultati che si verranno, e la precisione delle misure che verranno presentate. Ma non è di questo che volevo parlare (per discutere meglio questo aspetto dovrei usare un po’ la sfera di cristallo e tentare quantificare “appena un po’”, “un mucchietto dignitoso” a “forse abbastanza” in termini di luminosità integrata raccolta, cosa che magari farò in un pezzo dedicato).

Quello che mi interessa raccontare è piuttosto l’iniziativa interessante che gli organizzatori di ICHEP hanno deciso di mettere in piedi. Accanto alle forme di comunicazione scientifica più tradizionali a cui noi fisici siamo abituati e con cui siamo a nostro agio (le sessioni con le presentazioni frontali e le domande alla fine del talk, e le chiacchiere e i pettegolezzi nei corridoi e durante le pause caffè), quest’anno la conferenza avrà un blog ufficiale. Siccome proprio recentemente si discuteva proprio di come i blog, con la loro anima indipendente e spesso persino anarchica o individualista, possano contribuire alla comunicazione e divulgazione scientifica istituzionale, questo mi sembra proprio un esperimento coraggioso su cui tenere un occhio. Non ultimo perché, in mezzo al notevole manipolo dei più famosi fisici blogger dell’orbe terracqueo che sono stati chiamati a contributore all’iniziativa, per qualche misterioso meccanismo di bilancia cosmica è stato infilato anche il sottoscritto,  a livellare verso il basso la media, probabilmente. Vedremo come andrà la cosa: come scrivevo altrove, ovviamente dovete aspettarvi qualcosa di diverso da quello che trovate qui.

P.S. Sul serio, la maggior parte dei blogger che contribuiscono all’iniziativa sono seriamente dei fuoriclasse, sia come scienziati che come comunicatori. Se vi interessa la fisica delle particelle e i loro blog non sono ancora tra le vostre letture ricorrenti, correte a rimediare.

P.P.S. Oh, yep, nearly forgetting: I will be blogging in English. This means that I will most likely not be able to copy and paste my posts from there to here, unless I find the time to translate them. Sorry about that, folks: particle physics is an international game.

LHC Q&A 1. Quanto idrogeno? Come si compensa l’effetto della gravità? 13 aprile 2010

Inviato da Marco in : Fisica, LHC, LHC F.A.Q. 38 commenti

La serie di articoletti sul funzionamento di LHC sta avendo un discreto successo, e nei commenti alle diverse puntate spuntano domande come funghi, alle quali tento di rispondere più o meno celermente. Certe domande ritornano, perché – mi rendo conto – andare a scavare tra i commenti per cercare le eventuali risposte alle curiosità che gli articoletti sollevano non è un;impresa comoda. Ho pensato allora di rispondere ad alcune delle domande ricorrenti in qualche articolo dedicato, mano a mano che si accumulano e sembrano generare interesse. Come diceva un saggio a suo tempo:

Non esistono domande stupide e nessuno diventa stupido, fino a che non smette di fare domande.

Q&A è l’acronimo inglese per Questions and Answers, che si usa spesso per cosette del genere. Ma bando alle ciance, iniziamo dai primi due quesiti che ho selezionato, sperando che restiate soddisfatti.

Quanto idrogeno molecolare serve a produrre i protoni che circolano dentro LHC?

Facciamo due conti, arrotondando per eccesso. Se e quando LHC raggiungerà la sua luminosità nominale, nell’acceleratore circoleranno 2808 pacchetti per fascio, da circa 1011 protoni l’uno (dicevo per eccesso, perché per esempio in questi giorni abbiamo due soli pacchetti per fascio, ognuno con molti meno protoni: siamo solo agli inizi). In questa configurazione nominale, fanno più o meno 6 × 1014 protoni in tutto l’acceleratore. La massa di un protone è circa 1 GeV/c2, ovvero 1,6 × 10-24 g: nelle migliori condizioni, all’interno di LHC circola dunque l’equivalente di circa 10-9 g di idrogeno. Dunque, in sostanza, molto poco! Vi lascio fare i conti di quanto idrogeno molecolare corrisponda questa quantità. Guida per i pigri: una molecola di idrogeno contiene due atomi di idrogeno; una mole di idrogeno molecolare contiene circa 6 × 1023 molecole, ergo 12 × 1023 atomi di idrogeno; dentro LHC nelle migliori condizioni circoleranno dunque 0.5  × 10-9 moli di idrogeno molecolare; andatevi a cercare quanto spazio occupa una mole di idrogeno molecolare in condizioni di pressione e temperatura normali, e calcolatevi quanto ne occuperebbe l’idrogeno necessario a formare i fasci di LHC. Ovviamente non tutto è così preciso, e nel processo di accelerazione ci sono perdite e efficienze non perfette da tenere in conto, ma insomma, vi siete fatti un’idea grossolana, e gli ordini di grandezza sono corretti.

Quando viene fatto girare un fascio di protoni, ovvero i pacchetti che lo costituiscono, quali sono i dispositivi che compensano l’accelerazione di gravità che farebbe cadere le particelle come qualsiasi altra cosa sulla terra? Sono particolari configurazioni dei campi magnetici nei magneti superconduttori, e quali?

I magneti che tengono in orbita i fasci e li focalizzano sono più che sufficienti a contrastare la forza di gravità che i protoni del fascio subiscono. Si tratta di un effetto molto piccolo, e la forza necessaria quasi trascurabile (adesso che sapete quanto pesa il totale dei protoni dei fasci di LHC, non dovreste avere troppi problemi a tradurre questa massa in forza necessaria a contrastare la gravità che subisce). Ci sono effetti ben più fastidiosi da compensare: per esempio, essendo i protoni tutti carichi positivamente, non amano molto essere impacchettati insieme in spazi molto piccoli, e hanno tendenza a respingersi per repulsione elettrostatica. Inoltre, mentre viaggiano a quasi la velocità della luce, i protoni di un pacchetto generano un campo elettromagnetico che disturba quelli dei pacchetti vicini, generando delle instabilità e dei moti bizzarri dei fasci, che vanno corretti al volo con un sistema complicato di aggiustamento dei campi magnetici. In generale, i magneti responsabili della focalizzazione dei fasci sono dei quadrupoli, che vengono alternati con direzioni dei campi opposte per focalizzare in entrambe le direzioni trasversali dei fascio.

LHC First Physics, in diretta dal CERN 30 marzo 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, CERN, Fisica, LHC 50 commenti

Notte prima degli esami. Alla riunione di ieri (lunedì 29) mattina si vociferava di possibili collisioni a 7 TeV già nella notte. Già nella notte? E perché mai? Non dovevano arrivare stamattina? Si, ma qui non si vogliono correre troppi rischi, così qualcuno ha avuto la bella idea di tentare di collidere i fasci a 3.5+3.5 TeV mentre nessuno guarda e tutti dormono, e se tutto dovesse andare bene ripetere poi l’esperienza di fronte al mondo alle prime luci dell’alba. Mentre tutti dormono, o meglio, mentre tutti gli altri dormono, perché invece noi degli esperimenti ce ne restiamo belli svegli e pronti a vedere che cosa capita, pronti ad acchiappare le collisioni notturne dovessero arrivare. E arrivano, o non arrivano? Nessuno lo sa di sicuro. Alle 18:45 di ieri il programma della notte era il seguente:

Bene, non essendo on call per la notte posso mettere la sveglia alle 6:30 e andare a dormire. Domani è un altro giorno.

Casa, 7:00. Un po’ in ritardo. La notte è passata tranquilla, Giulia non ha più la febbre, Irene ha un solenne mal di gola e emette suoni inintelligibili, e LHC ha apparentemente accumulato un po’ di ritardo. Il che vuol dire che posso preparare con calma i cappuccini, portare Giulia all’asilo e andare al CERN senza correre troppo. Dove diavolo ho messo la tessera di accesso al CERN? Non è proprio il giorno adatto per perderla. Ah, eccola qui.

CERN, 9:00. Beam lost. Arrivo al CERN tranquillo intorno alle 9. Nessun problema, le collisioni sono previste per le 9:17 (non che nessuno creda a questo orario!), sono ampiamente in tempo per non perdere il brindisi. L’unica frase che colgo di grandi schermi che hanno installato nell’ingresso del Building 40 sono “beam lost”. Fascio perso. Ovvero, mentre i due fasci di protoni venivano accelerati verso i 3.5 TeV in versi opposti nell’acceleratore (cosa che è stata già fatta nei giorni scorsi senza troppi problemi), operazione dopo la quale i macchinisti avrebbero rimosso la separazione magnetica che impedisce che a ogni passaggio i fasci si scontrino all’interno dei rivelatori, qualcosa è andato storto e i fasci sono stati persi, di fatto svuotando l’acceleratore. Merde.

CERN, 10:30. Facciamo melina. Un beam lost è assolutamente normale, anche se un po’ fastidioso se ti capita di fronte ai giornalisti a cui vorresti mostrare le magnifiche sorti e progressive del tuo acceleratore. Il punto è che, essendo LHC intorno alle 9 nuovamente privo di protoni, è necessario ri-riempirlo per rifare tutta la procedura che viene prima di ogni tentativo di collisione. Procedura che comporta: abbassare le correnti dei magneti che tengono il fascio in orbita da quelle che servono a condurre protoni a 7 TeV a quelle che servono per condurre protoni a 450 GeV (l’energia di ingresso dei protoni); un’ora circa. Iniettare di nuovo i protoni a 450 GeV dall’SPS dentro LHC in entrambi i versi, catturarli con le cavità a radiofrequenza di LHC e mantenerli in orbita a bassa energia; mezz’oretta. Ri-rampare le correnti dei magneti mentre si accelerano i protoni da 450 GeV a 3.5 TeV; un’altra oretta mal contata. Solo a questo punto possiamo ricominciare a parlare di tentare qualche collisione. Il che, facendo in conti alla svelta, dice che noi degli esperimenti (e quelli che stanno facendo la diretta televisiva) siamo con le mani in mano fino a circa le 11:30, se va bene. D’accordo, facciamo melina. L’intervistatrice ufficiale salta da una sala di controllo all’altra intervistando chi può su quello che le passa per la testa (“Ehi, ATLAS ha un solenoide? Puoi spiegarmi a cosa serve un solenoide?”). Coraggio, ancora solo un’oretta così, se ci va bene.

12:03. LHC è di nuovo pieno. Secondo i piani, la nuova iniezione dei protoni dall’SPS dentro LHC è andata benone, LHC ha di nuovo un bel po’ di protoni da accelerare a 3.5 TeV. I fasci dovrebbero essere di nuovo pronti per le collisioni tra una mezz’oretta o poco meno.

12:38. I fasci sono (di nuovo) a 3.5 TeV. Applausi! Adesso gireranno un po’ per verificare che le orbite siano stabili. E poi potremmo finalmente vedere qualche collisione. Intanto il Direttore Generale arringa il volgo dal Giappone.

12:57. Giù le separazioni. I macchinisti hanno allineato i fasci, e rimosso le separazioni magnetiche che tengono i due fasci distanti nei punti di collisione. Siamo in “collision mode”! Uuuh!

12:58. Physics in the making! ATLAS registra le prime collisioni a 7 TeV! Olè!

E mica poche collisioni, stiamo parlando di un rate dell’ordine dei 100 Hz. Adesso aspettiamo solo che i macchinisti tirino su i collimatori di protezione degli esperimenti e dichiarino i fasci “stabili” (ovvero, che le condizioni sono ottimali, che non toccheranno più niente per ore), e che dunque possiamo accedere proprio tutti i pezzi dei rivelatori e prendere dati fino a esaurimento dei protoni di questo fill.

13:24. Stable beam. ’nuff said.

13:54. Eventi come se piovesse. Quasi quasi piango :-)

15:36. Quasi due ore di fasci stabili. Che vuol dire che gli stessi pacchetti di protoni a 3.5 TeV girano da due nell’acceleratore (e vi lascio fare il conto di quanta strada abbiano fatto fino ad ora!), incontrandosi regolarmente al centro dei quattro rivelatori. A ogni incontro, alcuni di loro si scontrano producendo un bello psray di particelle che noi fotografiamo, mentre gli altri proseguono il loro giro. L’idea è quella di andare avanti così fino a quando il numero di protoni sopravvissuti non sia troppo esiguo. A quel punto i fasci “consumati” verranno estratti e fermati, e si ricomincerà con una nuova manciata di protoni freschi. Cavoli, a sole due ore sembra quasi routine. Speriamo bene. Vado a fare un salto in Control Room.

Control Room di ATLAS, 16:30. Una calma irreale. La stampa se n’è andata, i curiosi anche, in giro ci sono solo più gli shifter e i run coordinator. I macchinisti hanno appena fermato i fasci, e dopo qualche aggiustamento si preparano a rimetterne in circolo dei nuovi. Può sembrare in credibile, ma in queste due ore abbiamo (probabilmente) raccolto più eventi di minimum bias che in tutto il run a 900 GeV di Dicembre scorso: le cose qui hanno subito un’accelerazione tale da faticare a crederci, siamo veramente entrati in una nuoca era! Adesso non resta che sperare che le cose continuino così bene, che il ritmo della presa dati non rallenti, e che ovviamente non ci sia nessun incidente.

La diretta della giornata finisce (probabilmente) qui. Ci sarebbero tante cose ancora da raccontare (ah, come mi piacerebbe regalarvi anche qualche retroscena. Ma mi sa che non posso proprio!), e, come qualcuno ha chiesto, sarebbe interessante fare il punto e spiegare un po’ meglio dove siamo oggi, e dove andremo domani. Magari più tardi, più facilmente nei prossimi giorni. Stay tuned.

Martedì, in diretta dal CERN, le prime collisioni serie di LHC 26 marzo 2010

Inviato da Marco in : CERN, Fisica, LHC 9 commenti

Come annunciavo altrove, martedì 30 Marzo – salvo incidenti di percorso – dovremmo vedere le prime collisioni a 7 TeV in LHC. Da queste parti il giorno fatidico viene amorevolmente chiamato il media day: ci aspettiamo una pletora di giornalisti e troupe televisive, inviate esplicitamente all’evento e che bivaccheranno tutto il giorno all’ingresso delle sale di controllo a registrare se e come riusciremo a vedere questi benedetti protoni scontrarsi nel cuore degli esperimenti. Vi risparmio le consegne ufficiali: nella pratica, io mi terrò diligentemente alla larga dalla sala di controllo di ATLAS e farò il mio dovere da remoto, perlomeno fino a quando gli imbrattacarte di quartiere non alzeranno le tende. Spero che per allora laggiù non abbiamo finito lo champagne. Magari vi faccio un qualche tipo di live-blogging, vediamo.

Se la cosa vi interessa, il CERN organizza una diretta dell’evento via web per tutta la giornata: segnatevi l’indirizzo. C’è persino già un programma preliminare delle trasmissioni, giusto per avere un’idea di che cosa vi aspetta se decidete di dare un’occhiata.

Una raccomandazione: non aspettatevi eventi spettacolare e fuochi d’artificio. In generale – a meno di combinare qualche incidente :-) – la fase della presa dati nella fisica delle particelle attuale tende a essere piuttosto noiosa, perché nella maggior parte del tempo non succede proprio nulla di speciale. È un effetto collaterale dell’andare alla ricerca di fenomeni rari annegati in un oceano di eventi normali: ogni giorno si carica il carretto di paglia e la si porta a casa, e nei mesi a venire la si spulcia pazientemente alla ricerca dell’ago. E pensate che noi si trova tutto questo persino eccitante! :-)