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

Inviato da Marco in : LHC, LHC F.A.Q. 2 commenti

“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

Inviato da Marco in : LHC, LHC F.A.Q. 10 commenti

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 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! :-)

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? :-)