salta alla navigazione

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

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 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.

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.

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.

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.