Treni di protoni raggruppati in pacchetti

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!