Due passi al CERN

Basta una bomboletta di idrogeno comunque, gli atomi sono piuttosto numerosi…è sufficiente per un lungo periodo di tempo. Ionizzare l’idrogeno è decisamente la parte più facile di tutto l’esperimento.

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LHC è l’acceleratore di particelle più grande e potente del mondo. È situato 100 metri sotto terra, al CERN, vicino a Ginevra.
Al suo interno vengono accelerati e fatti scontrare protoni, con l’obbiettivo di produrre particelle che non sono attualmente presenti in natura. Lo scopo? Confermare, ma anche trovare anomalie nel modello standard, ossia quella teoria che descrive le particelle costituenti la materia dell’universo. Questo modello è incompleto (per esempio non prevede la natura delle particelle di materia oscura), e la speranza è che dalle collisioni esca qualche indizio sul “dopo” , ossia su una teoria successiva che permetta di completare il puzzle con i pezzi che ancora mancano.
 

Come vengono accelerati i protoni?

Sostanzialmente in quattro fasi distinte. I protoni vengono ricavati dall’idrogeno, che viene ionizzato in un apposita camera. Le particelle vengono spostate tramite un campo elettrico, e spedite verso la prima fase di accelerazione: il LINAC 2.
 

È un acceleratore lineare: i protoni vengono accelerati dai campi elettrici prodotti alternativamente nelle varie cavità dell’acceleratore.

In figura: una particella negativa (a sinistra) viene attratta da una cavità a voltaggio positivo. Una volta che la particella è passata la cavità cambia segno del voltaggio: ora respinge la particella, che viene ulteriormente accelerata verso destra.  [Immagine CC0 creative commons] Fonte

Il LINAC 2 accelera i protoni fino ad energie di 50 MeV. A questa velocità, a causa degli effetti relativistici, i protoni hanno incrementato la propria massa del 5%.
 

Ora tocca al Proton Synchrotron Booster, un acceleratore circolare (d’ora in avanti saranno tutti circolari) costituito da quattro anelli sovrapposti. Qui i protoni vengono accelerati fino a 1,4 GeV di energia, e vengono successivamente inviati al Proton Synchroton (PS). Senza booster.
 

Qui le cose iniziano a diventare interessanti: PS è un anello lungo 628 metri, e possiede 277 elettromagneti convenzionali, ossia funzionanti a temperatura ambiente. Le dimensioni contano: vedremo il perché. I protoni escono da questo acceleratore con un energia di 25 GeV.
L’acceleratore successivo è il Super Proton Synchrotron (SPS), il secondo più grande presente al CERN:
1317 magneti convenzionali per 7 kilometri di circonferenza. I protoni escono da qui con un’energia di 450 GeV.
SPS viene utilizzato anche da numerosi altri esperimenti, tra cui NA62, di cui vi parlerò dopo. Questo acceleratore ha permesso la scoperta dei bosoni W e Z, che hanno fruttato il premio Nobel al nostro Carlo Rubbia, nel 1984.

E adesso veniamo al mostro finale: LHC

Lo schema dei vari acceleratori. Atlas, CMS, LHCb e Alice sono i quattro esperimenti principali che utilizzano LHC. Sono situati dove i fasci di particelle collidono.  [Immagine CC0 creative commons]  Fonte

Un anello di 27 km, che permette di raggiungere energie dell’ordine dei 13 TeV. Per mantenere i protoni sulla giusta traiettoria sono necessari 1232 magneti, lunghi quindi metri ciascuno, e 392 quadrupoli magnetici, lunghi 5 metri ciascuno, che permettono di focalizzare e concentrare il fascio di particelle, azione necessaria per aumentare la probabilità di una collisione tra due particelle. Qui i magneti vengono raffreddati con elio liquido fino a -273 °C, temperatura necessaria per entrare in un regime di superconduttività. Infatti, l’energia richiesta ai magneti per funzionare è così alta che se si volesse operare a temperatura ambiente, i cavi conduttori dovrebbero avere un diametro di pochi centimetri. Moltiplicate i pochi centimetri per i milioni di cavi presenti e otterrete una macchina pesantissima e di difficile realizzazione. In regime di superconduttività un conduttore azzera la propria resistenza al passaggio della corrente, risultato: non servono cavi di dimensioni enormi.
In LHC i protoni viaggiano in direzioni opposte lungo due differenti cammini, che si incontrano in 4 punti dell’anello: qui sono situati i rilevatori di particelle, necessari per analizzare il prodotto delle collisioni, cioè altre particelle. I detector sono strutture immense, all’incirca alte come un palazzo di tre piani. Bello pensare che per rilevare qualcosa di grandezza infinitesima sia necessario usare strutture immense.
LHC ha permesso la scoperta del Bosone di Higgs, tassello fondamentale del Modello Standard, e numerose altre particelle previste teoricamente, ma fino a pochi anni fa mai osservate. LHC produce una mole di dati immensa, circa 15 petabyte all’anno, che vengono gestiti tramite il WorldWide Computer Grid, ossia un infrastruttura di computer sparsi per il mondo e collegati in rete tra loro.
Il problema della gestione dei dati è sempre stato cruciale al CERN. Proprio sotto questa esigenza, nei primi anni ’90 venne sviluppato il World Wide Web.
 

Perché sotto terra?

Tanto per cominciare, avere un tubo lungo 27 Km in giro per Ginevra può risultare fastidioso per gli abitanti. Inoltre è necessario schermare i rilevatori e il fascio di protoni dall’interazione con i raggi cosmici provenienti dallo spazio.
 

Perché così grande?

Quando una carica elettrica viene accelerata perde energia emettendo radiazione elettromagnetica. Un moto circolare è un moto accelerato, perché la direzione della velocità cambia in continuazione. Si può calcolare in prima approssimazione l’energia persa a ogni giro con una semplice formula matematica:

dove v è la velocità della particella, c è la velocità della luce, e la carica dell'elettrone, r il raggio di curvatura, epsilon è la costante dielettrica del vuoto.

Ecco, il fatto che r compaia al denominatore spiega molto chiaramente perché l’acceleratore deve avere dimensioni simili: più il raggio è grande più quel rapporto diventa piccolo, quindi l’elettrone perde meno energia. Visto che la velocità dei protoni è quasi uguale a quella della luce, 27 Km di lunghezza del percorso sono un male necessario. “male”…è una figata, altro che!  

Non solo LHC

Come vi dicevo, gli acceleratori più piccoli non servono solamente per LHC. Ho avuto occasione di visitare recentemente l'esperimento NA62.

Questo esperimento sfrutta le particelle accelerate in SPS per studiare il decadimento del kaone, un particolare tipo di mesone, ossia una particella formata da un quark e un antiquark. Il kaone può decadere in vari modi diversi, producendo diverse particelle. C'è un particolare tipo di decadimento, rarissimo, in cui il kaone decade in un pione+ un neutrino e un antineutrino. Questo decadimento avviene con una certa frequenza, predetta dal modello standard: la speranza è di trovare anomalie, ovvero un decadimento di questo tipo più o meno frequente di quello aspettato.
L'esperimento NA62 si svolge qui, a quindici metri sotto terra. Notate le dimensioni del tubo.
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E nello stesso identico edificio, accanto a strumenti tecnologicamente avanzatissimi, ho trovato questo: Che bellezza. Ho visto usarlo, giuro.  Immagine dell'autore

Purtroppo questa visita è stata una toccata e fuga.
LHC sta per essere riattivato, è questione di giorni. Funzionerà fino alla fine dell'anno, dopo di che seguirà una lunga fase di aggiornamento e manutenzione che durerà all'incirca due anni. Se vi interessa il programma di lungo periodo (da qui a vent'anni) seguite questo link.
Disinteressato consiglio: andate a visitarlo, il CERN. È dietro l'angolo.
È una bellissima realtà europea, ma che concentra le migliori menti del mondo, sotto la bandiera del progresso scientifico.

Riferimenti:
https://home.cern/topics/large-hadron-collider
https://home.cern/about/engineering/pulling-together-superconducting-electromagnets
https://na62.web.cern.ch/na62/Documents/ReferenceDocuments.html
https://lhc-commissioning.web.cern.ch/lhc-commissioning/schedule/LHC-long-term.htm
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920563209007932
Mazzoldi, Nigro, Voci: Fisica II