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Un lettore di Borborigmi in visita al CERN 17 agosto 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, CERN, Fisica, Mezzi e messaggi 24 commenti

Stefano, uno dei lettori di questo blog, in agosto è venuto a visitare il CERN (e ATLAS) di persona. Ha scritto e lasciato in un commento a un vecchio post il racconto della sua esperienza, condito di svariate informazioni interessanti e da un mucchietto di domande che gli sono rimaste sulla punta della lingua alla fine della visita. Siccome i quesiti che pone sono interessanti e il racconto mi piace, lo copio e incollo qui perché possiate leggerlo, e per rispondere direttamente. Buona lettura.

Come promesso, eccomi qua di ritorno dal CERN! A dire la verità non so se questo articolo sia il più adatto a raccontare com’è andata la visita, ho cercato un po’ è mi sembrava il migliore, in caso contrario Marco spostalo pure dove ritieni più opportuno. :)

Premetto che di Tom Hanks o di Richie Cunningham neanche l’ombra!

Inizio con qualche informazione generale nel caso possa risultare utile a qualcuno.

Dunque arrivare al CERN è abbastanza semplice, avevamo l’auto dietro, ma dal momento che era piazzata nel garage dell’ostello e che trovare un posto fuori in strada è un’impresa a dir poco ardua, ho preferito arrivarci con i mezzi, circa 15 minuti di tram (il 14 che si può prendere dalla stazione dei treni) e 5 di autobus (il 56 che si prende attraversando la strada alla fermata del tram) e si arriva praticamente davanti al building 33, dove c’è la reception.

Avevo calcolato i tempi per tenermi largo, ma mettici la mappa dei mezzi che non trovavo metti anche la fame che avevo, sono ovviamente arrivato 10 minuti prima dell’orario stabilito! Mi presento alla reception e volo a dare un’occhiata al Globe, non prima di aver cercato di sfondare una porta a vetri che a ragione non voleva aprirsi, visto che non era quella l’entrata. :)

La costruzione che ospita l’esposizione e piuttosto imponente, e da quello che diceva la guida dovrebbe avere un altezza pari più o meno a quella dei rilevatori inseriti lungo il percorso del LHC, l’interno è interessante, sono spiegate molte cose riguardo l’esperimento e anche l’esposizione è piuttosto particolare, purtroppo in 5 minuti non ho avuto tempo di leggere tutto, ne di visitare il Microcosm, he chiudeva verso le 5 del pomeriggio ed io ero ancora in visita, anche se mi sarebbe piaciuto.

All’inizio della visita guidata siamo entrati in una sala ed è stato proiettato un filmato introduttivo, in cui veniva spiegato che tipo di esperimenti si svolgono al CERN e le varie aree di interesse, non mi è dispiaciuto, anche se lo trovato un pizzico “turistico”, è ovvio non mi aspettavo niente di tecnico, anche perchè non ne avrei capito molto, però forse è un po’ autocelebrativo, non che sia una cosa negativa a priori, ma così giusto per far sapere come l’ho trovato.

Finito il filmato, dopo una prima sessione di domande, si passa all’esperimento. Speravo veramente che ci portassero a vedere ATLAS, quando la guida ci dice che avremmo attraversato la strada per andare a visitare la sala di controllo di ATLAS… perfetto!

La guida era piuttosto preparata, chiara e disponibile, credo fosse un ricercatore che lavora al CERN anche se non al LHC, ora non mi viene il nome. Molte delle cose che diceva le conoscevo già, lette più che altro in questo blog, ad ogni modo è stato proprio interessante, ci ha mostrato la sala di controllo di ATLAS e spiegato quello che stavano facendo, anche se in quel momento non circolavano i fasci dal momento che stavano intervenendo sull’impianto criogenico e illustrato a grandi linee il funzionamento dell’acceleratore.

Ah Marco… mi chiedevo, ma voi vedete le persone dall’altra parte della vetrata?! O il vetro è a specchio? No perchè non deve essere simpaticissimo avere continuamente gente che fissa gli schermi! ;)

Altra serie di domande e quindi saliamo di un piano a vedere un breve filmato 3D, simpatico anche questo, però se devo essere sincero i filmati sono la cosa che mi ha interessato di meno. A questo punto siamo scesi e siamo rimasti un po’ a chiacchierare con la guida che rispondeva un po’ alle curiosità di tutti!

Non c’è che dire senza dubbio una bella esperienza, certo scendere sottoterra sarebbe stato davvero forte, però non potevo aspettare anni per poterlo fare! :) A proposito nel complesso di ATLAS si scende anche direttamente nei pressi del rilevatore immagino, giusto? Così giusto per curiosità come si fa? Cioè ci sono tipo degli ascensori?

Mentre l’ultimo piano della sala di controllo è dove vengono immagazzinati i dati registrati nelle collisioni? Ho letto un cartello ma ora mi sfugge…

Mmm mi sto accorgendo di fare domande a ruota libera… le ultime due prometto! ;)

1) La guida parlava di trigger hardware e software, per scremare i dati in entrata, per quanto riguarda i software posso immaginare il funzionamento, ma quelli hardware cosa sono? Cioè, come fanno ad intervenire nella scrematura dei dati?

2) Salendo le scale che porta al primo piano c’è una bella rappresentazione di una sezione del rilevatore, con la traiettoria delle varie particelle che si potrebbero avere dopo una collisione, sono sicuro di dire una cavolata ma, gli unici due che hanno una traiettoria curva sono i protoni carichi positivamente e i muoni carichi negativamente (la guida, per farsi capire, diceva che erano come degli elettroni più pesanti), ora mi domando, ma dallo scontro tra due o più protoni come si fanno ad avere particelle cariche negativamente?

Ah… sai non sono riuscito a trovare il libro del concorso al negozio di souvenir, non so se mi è sfuggito o magari era finito, in compenso c’era una bella fornitura di libri di Dan Brown! :) Per accontentare anche i visitatori più scettici…

Grazie Marco per la pazienza, per i consigli pre-viaggio e per avermi fatto venire voglia di venire a visitare il CERN! ;)

Spero che il racconto possa essere utile a qualcuno!

Stefano

PS. Ginevra è divertente come città! L’ostello in cui ci siamo fermati è forse il più bello ed economico in cui sia mai stato! Ma il cibo costa una fortuna, un grazie alla coop che ci ha salvato!

Allora, vediamo un po’:

Dopo il W viene la Z 20 maggio 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, Fisica 7 commenti

Produrre un bosone Z in una collisione tra due protoni e vederlo decadere in una coppia elettrone-antielettrone o muone-antimuone è circa 10 volte meno probabile che produrre un bosone W nel medesimo tipo di collisione e vederlo decadere in elettrone-neutrino o muone neutrino. Il che significa che per avere qualche chance di osservare qualcosa che assomiglia al decadimento di una Z occorre raccogliere circa dieci volte la quantità di dati con i quali si ha una ragionevole probabilità di osservare un W.

È passato ormai un po’ di tempo da quando qualcosa che assomiglia molto a un paio di bosoni W hanno deciso di fare capolino dentro ATLAS: ovviamente da allora LHC ha continuato a fornirci collisioni protone-protone, e noi solertemente a raccogliere dati a spulciarli. Potete facilmente immaginare come in questo periodo ci siano capitati per le mani un certo numero di altri candidati bosone W. Quanti? Non ve lo posso dire: riserviamo la sorpresa per le conferenze d’estate. Quello che però posso dirvi è che la pazienza, la quantità di dati raccolti, un rivelatore che funziona piuttosto bene e la ricerca con il lanternino anche delle Z ha iniziato a dare i suoi frutti: eccovi in tutto il loro splendore i primi due candidati Z che decadono dentro ATLAS, rispettivamente in una coppia elettrone-positrone:

o in una coppia muone-antimuone:

Se avete letto il post sui candidati W ormai dovreste saper interpretare questi event display senza problemi. In caso forse un po’ persi, ecco un piccolo aiuto. Nel primo caso ci sono un elettrone e un positrone che, partendo dal centro del rivelatore dove è avvenuta la collisione, lasciano entrambi una scia (gialla) nel tracciatore centrale, e finiscono a depositare la loro energia nei calorimetro elettromagnetico (la zona in verde). Nel secondo caso ci sono un muone e un antimuone che lasciano le loro scie (viola) sia nel tracciatore centrale che nello spettrometro a muoni. In entrambi i casi i prodotti di decadimento hanno carica opposta (bene: la Z è neutra), provengono dallo stesso vertice, sono ragionevolmente identificati come elettroni (o muoni), non hanno troppa attività intorno che faccia pensare a un’origine diversa dal decadimento di una sola particella, e soprattutto – se vi mettere a combinare le loro energie – sembrano provenire dalla disintegrazione di una particella con una massa compatibile con quella del bosone Z. Come già per i W: bingo!

Notarella  a margine: è bello che i due candidati Z abbiamo deciso di decadere una volta in una coppia elettrone-positrone e l’altra in una muone-antimuone. Secondo le teorie che usiamo per descrivere il comportamento delle particelle, non c’è infatti nessuna ragione per cui l’accoppiamento di un bosone (W o Z) a un leptone (in questo caso, elettrone o muone) abbia un’intensità diversa: in altre parole, è altrettanto probabile che una Z decada in elettroni o in muoni. Questa proprietà è chiamata in gergo universalità, e fino ad ora è sempre stata confermata dagli esperimenti: ovviamente due eventi sono troppo pochi per trarre delle conclusioni, ma sembrerebbe che siamo sulla buona strada.

Un paio di bosoni W dentro ATLAS 8 aprile 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, Fisica 51 commenti

Dentro i circa 120 \mu b^{-1} di collisioni pp a 7 TeV che abbiamo raccolto nell’ultima settimana c’erano tra le altre cose un paio di simpatiche sorprese di Pasqua: una paio di (candidati) bosoni W che avrebbero deciso di decadere rispettivamente in un elettrone e un neutrino, e in un muone e un neutrino. Eccoli qui, in tutto il loro splendore:

Veloce chiave di lettura del display qui sopra: l’elettrone in questione è quello che lascia una bella scia gialla nel tracciatore centrale (che come vedere non è curva tanto quanto le altre tracce azzurre: questo è un sintomo di alta energia rispetto alle traccie del “fondo”), e che rilascia energia nel calorimetro elettromagnetico (la zona in verde) fermandosi li. Il neutrino non si vede, ma si vede che manca un bel po’ di energia trasversa (il cui totale si conserva nelle collisioni), cosa che è la firma tipica di una particella che interagisce poco o niente. Le energie e le direzioni dell’elettrone e del presunto neutrino sono compatibili con il fatto che provengano dal decadimento di una stessa particella, la cui massa è compatibile con il bosone W. Bingo.

Un’ancora più veloce chiave di lettura del display qui sopra: il muone è quello che lascia la traccia rossa nello spettrometro per muoni, dall’altra parte manca un bel po’ di energia trasversa come nel caso precedente, di nuovo sintomo della presenza di un neutrino. Anche qui le energie e le direzioni sono compatibili con il decadimento di un bosone W. Ri-bingo.

Viste le sezioni d’urto a queste energie e la quantità di dati, abbiamo probabilmente avuto un po’ di fortuna. Ma al di là di questo, è bello vedere che il Modello Standard sembra funzionare a dovere anche da queste parti :-)

P.S. Qualcuno mi chiedeva di spiegare un po’ come interpretare gli event display che ogni tanto pubblico. Ovviamente ci va un po’ di più di questo annuncio lampo, ma appena finita la serie su LHC passiamo ai rivelatori, promesso.

Large Human Collider, la comune delle particelle 7 aprile 2010

Inviato da Marco in : ATLAS, CERN, Fisica, Mezzi e messaggi, Scienza e dintorni 13 commenti

La settimana scorsa è uscita su Nature un’interessante news feature – segnalatami per prima dall’Oca Sapiens – intitolata The Large Human Collider. L’articolo discute i risultati di alcuni studi sociologici sui modi di funzionamento e interazione del CERN in generale e delle grandi collaborazioni degli esperimenti di LHC in particolare. Si tratta di una lettura molto interessante, dunque se masticate un po’ di inglese ve la consiglio di sicuro.

Per una serie di coincidenze Radio 3 Scienza, il quotidiano scientifico della terza rete di Radio Rai, mi ha invitato a discutere in trasmissione dell’articolo e degli argomenti correlati (come si manda avanti e si tiene insieme una collaborazione scientifica di questa taglia? Come si prendono le decisioni? Come si riconosce il merito individuale? Come si comunica dentro e fuori?). La puntata si intitola “La comune delle particelle“, è andata in onda in diretta lunedì mattina, e la potere riascoltare tramite il podcast della trasmissione oppure direttamente dal loro sito (sorbole, se non riuscite ad ascoltarlo e proprio ci tenete me lo dite e vi piazzo l’mp3 anche qui, ok?).

In realtà non sono molto soddisfatto del risultato: oltre al sottoscritto, che avrebbe probabilmente dovuto interpretare la parte dell’animale sotto osservazione, sarebbe dovuto intervenire un sociologo che invece alla fine non c’era. La redazione e il conduttore hanno perciò dovuto improvvisare con il materiale a disposizione (me!), con risultati a mio parere non eccelsi (eh, il prodotto è quello che è). Paradossalmente io avrei mandato in onda la conversazione con il redattore che ho avuto un’oretta prima della diretta: sarà per il clima rilassato, sarà perché avevamo più tempo a disposizione dei dieci minuti della diretta, ma secondo me ci siamo detti (ho detto!) delle cose più interessanti.

In ogni caso, mentre rileggevo l’articolo di Nature con in testa la partecipazione alla trasmissione, mi ero appuntato un po’ di cose che mi sembrano interessanti da discutere o almeno accarezzare, anche se probabilmente troppe per i tempi e i modi della radio. Ricopio qui gli appunti, più o meno come sono sul mio quadernetto blu, da accompagnare eventualmente a lettura dell’articolo e ascolto della puntata.

Le collaborazioni di LHC come esperimenti sociali

Gerarchia e modalità di presa delle decisioni

Il modello della comune come bolla cognitiva

Il sacrificio dell’identità personale

La mediazione continua per ottenere l’unanimità

La grandi collaborazioni e il processo di peer-review

Le collaborazioni di LHC e i blog

Gli incubi dei fisici delle particelle

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! :-)

Lo stato di LHC, in webcast, domani 25 marzo 2010

Inviato da Marco in : CERN, Fisica, LHC 2 commenti

Per gli insaziabili curiosi là fuori: domani (venerdì 26 Marzo) all 15:15 Mike Lamont presenterà una panoramica dello stato di forma di LHC e i prossimi passi dell’acceleratore, a solo qualche giorno dalle prime collisioni a 7 TeV previste per il 30 Marzo.

Si tratta di una presentazione pubblica, nel senso che si tiene fisicamente al CERN, ma verrà trasmessa in streaming video sul web. E, per i ritardatari, sarà registrata e archiviata. Siete avvisati.

LHC: collisioni a 7 TeV previste per il 30 Marzo 23 marzo 2010

Inviato da Marco in : CERN, Fisica, LHC 18 commenti

Le operazioni preparatorie per il run 2010-2011 di LHC stanno andando decisamente bene, tanto che il Direttore Generale si è sentito sufficientemente sicuro da fissare ufficialmente una data per le prime collisioni a 7 TeV, il 30 marzo:

With beams routinely circulating in the Large Hadron Collider at 3.5 TeV, the highest energy yet achieved in a particle accelerator, CERN has set the date for the start of the LHC research programme. The first attempt for collisions at 7 TeV (3.5 TeV per beam) is scheduled for 30 March.

Ovvero, tra una settimana! Chissà se riuscirò a finire la serie su come funziona LHC in tempo? :-)

Protoni quasi veloci come la luce: soluzione 19 marzo 2010

Inviato da Marco in : Fisica, Formulette, LHC 24 commenti

Come promesso, ecco a quali frazioni della velocità della luce si muovono i protoni all’uscita di ciascun tratto del loro viaggio verso LHC. Come accennavo il calcolo è piuttosto semplice. Siccome sapete quant’è la massa m del protone e qual’è la sua energia cinetica massima k in ciascun acceleratore, calcolare l’energia totale è questione di un’addizione:

E = m + k

A questo punto con una divisione ottenete il fattore di Lorentz:

\gamma = \frac{E}{m}

da cui potete calcolare la frazione della velocità della luce \beta = \frac{v}{c} a cui viaggiano i protoni, invertendo la formula che vi ho dato nell’articolo precedente (qui serve un po’ di algebretta da scuola media: fate il quadrato da entrambe le parti, invertite entrambi i termini, sottraete 1 da entrambe le parti, cambiate di segno, fate la radice quadrata):

\beta = \sqrt{1-\frac{1}{\gamma^2}}

Avete tutto quello che vi serve, e con una calcolatrice qualunque ottenete i numerelli finali:

AcceleratoreK [GeV]E [GeV]gammabeta
LINAC20.050.9881.050.31409151
PS Booster1.42.3382.490.91599153
PS2525.93827.650.99934590
SPS450450.938480.740.99999784
LHC70007000.9387463.690.99999999

Se volete le velocità in chilometri al secondo, basta che moltiplichiate \beta per il valore di c, circa 299792 km/s.

Avete visto? Già all’uscita del LINAC2 i protoni viaggiano a circa il 31% della velocità della luce, nel PS siamo ormai al 99.9%, e per vedere la differenza tra la velocità della luce e quella dei protoni in LHC occorre scendere fino alla nona cifra decimale!

A queste velocità, vi immaginate quanti giri completi dell’anello di 27 chilometri di LHC si fa un protone in un secondo? Una volta che avete sotto mano la cifra (lo so, lo so, si tratta di un’altra divisione), pensate che i fasci di LHC girano nella macchina per periodi di svariate ore! Ne fanno di strada, nevvero?

P.S.: Complimenti a quelli che hanno fatto i conti per bene e postato i risultati, e anche a tutti gli altri che li hanno fatti e si sono tenuti i risultati per sé, per timidezza o umiltà. Vergogna e disonore invece a mia cugina che si è rifiutata pubblicamente di calcolare! :-P

Protoni quasi veloci come la luce 17 marzo 2010

Inviato da Marco in : Fisica, Formulette, LHC 13 commenti

Facciamo una piccola pausa nel percorso di scoperta di come funziona LHC, o meglio, un digressione. Perché lo so che vi piacciono le foto dei macchinari e gli schemini colorati che metto insieme per tentare di farmi capire, ma so anche che ci sono dei loschi figuri la fuori che di tanto in tanto vorrebbero anche vedere delle formule e dei numeri. E allora, siccome da un po’ l’angolo delle Formulette langue, diamo loro un po’ di soddisfazione.

Nella puntata precedente vi ho raccontato di come sia fatto il complesso degli acceleratori del CERN, e di come i protoni, una volta estratti dalla bottiglietta dell’idrogeno e spogliati del fido elettrone, vengano accelerati sempre più nei passaggi nelle diverse macchine. In quell’articolo vi ho dato l’evoluzione delle energie all’uscita di ogni diverso acceleratore, misurate in elettronvolt. Ma a quale velocità viaggiano i protoni a ogni passaggio?

Per fare i conti ci serve qualche formula di cinematica relativistica semplice semplice. Iniziamo con il dire che le energie che ho citato (e che vi ripeto tra un attimo) sono energie cinetiche, che per convenzione chiameremo k. Come già sapete, l’energia totale E di una particelle comprende sia la componente legata al moto (l’energia cinetica appunto), che quella immagazzinata nella sua massa m:

E = m + k

Come sempre, da bravi fisici pigri, assumiamo che la velocità della luce sia la nostra unità di misura fondamentale, e dunque che c=1 e massa e energia si misurino nelle stesse unità. Adesso (e qui dovete fidarvi. Prima o poi ne chiacchiereremo insieme a Oliver) sappiate che:

E = \gamma m

dove \gamma si chiama in gergo fattore di Lorentz, che si esprime anche come:

\gamma = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}

\beta = \frac{v}{c} è la frazione della velocità della luce c a cui viaggia dunque una particella di massa m con energia E.

Con l’aiuto delle tre formulette lì sopra, e sapendo che la massa del protone vale m = 0.938 GeV, riuscite a calcolare a quale frazione della velocità della luce si muovono i protoni all’uscita di ciascun tratto del loro viaggio verso LHC?

Prerequisiti per riuscire nell’impresa: un po’ di algebra da scuola media, e una calcolatrice (a meno che vi ricordiate come estrarre le radici quadrate a mano). La risposta su questi stessi schermi tra qualche giorno. Eccovi di nuovo il sommario delle energie cinetiche massime in ogni acceleratore del complesso del CERN, buoni calcoli!

AcceleratoreEnergia cinetica di un protone (k) [GeV]
LINAC20.05
PS Booster1.4
PS25
SPS450
LHC7000