Come funziona LHC

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LHC come sappiamo è il più potente acceleratore di particelle del mondo. Ma che cosa fa? Semplice, lo dice il nome, accelera le particelle. Le accelera come e dove? Dentro un tubo contenitore molto piccolo, del diametro di qualche centimetro ma lungo circa 27 chilometri! Fermi tutti e ripartiamo dall’inizio, con calma.

Accelerare le particelle significa spingerle verso una determinata direzione, esattamente come fareste lanciando una pallina. Immaginiamo che la nostra pallina possa essere positiva o negativa, come i poli di una calamita. Se mettiamo una particella positiva tra due poli opposti, essa subirà un accelerazione verso il polo negativo.

piastre acceleratoreEcco che la nostra particella accelera per un breve tratto, per poi fermarsi sul polo negativo per sempre. Ma noi vogliamo che la particella sia in grado di accelerare nuovamente, superando la piastra e raggiungendone altre per un ulteriore accelerazione.

piastre acceleratriciLa soluzione sta nell’invertire la polarità della seconda piastra appena la particella la supera, in modo da spingerla avanti. In questo caso man mano che le particelle positive superano la piastra negativa, essa viene trasformata in positiva, così da spingerle ancora più avanti. Questo può essere un ottimo acceleratore lineare, anche se mancano alcuni dettagli importanti: accelerando le particelle nell’aria, queste tendono a scontrarsi con le molecole presenti e quindi deviano irrimediabilmente il loro corso. Quindi, tutta l’operazione va effettuata sottovuoto! Inoltre, particelle con la stessa carica tendono a respingersi tra di loro, aprendo quindi il fascio come un cono rovesciato, compromettendo ancora una volta l’esperimento.apertura fascioPer mantenere le particelle in un fascio concentrato è necessario circondarle da un campo magnetico della stessa polarità, in modo che vengano sempre respinte verso il centro del tubo contenitore. Per fare questo viene utilizzato un magnete con quattro poli, detto appunto quadrupolo:quadrupoloBene, ora abbiamo praticamente tutto! Non ci resta che accelerare le particelle lungo un rettilineo e… Aspettate un attimo. Ma quanto sarebbe lungo questo rettilineo? Dobbiamo spingere le particelle a quasi la velocità della luce, circa 300.000 chilometri al secondo, ed abbiamo bisogno di accelerarle per ore. Per mezz’ora di accelerazione servirebbe un acceleratore lungo ben 540 milioni di chilometri! Assolutamente impensabile. Ecco perché i più grandi acceleratori sono circolari, in modo da far correre le particelle ripetutamente lungo lo stesso percorso.

Pensate che i problemi siano finiti? Tutt’altro! Immaginate di lanciare una pallina da golf, aspettate pure che torni indietro. Non tornerà mai da voi, tranne nel caso in cui ci sia un tornado nelle vicinanze e sempre con un po’ di fortuna dei forti venti potrebbero riportarla indietro. Le particelle accelerate da LHC hanno una forza equivalente ad un treno frecciarossa a velocità di crociera, pieno di passeggeri. Questo significa che per tenere il fascio concentrato e curvarlo all’interno della struttura è necessaria la stessa forza che servirebbe per tenere sospeso in aria il treno e farlo volare su di una traiettoria circolare!

Per tenere in traiettoria le particelle viene utilizzato un magnete più semplice, che lavora sul piano orizzontale, detto dipolo:lhc funzionamento dipoloQuindi se consideriamo le particelle come cariche positive, esse verranno respinte dal magnete esterno con la stessa polarità mentre vengono attratte dal magnete interno di polarità opposta. Bilanciando accuratamente la potenza dei magneti con la forza centrifuga che spinge verso l’esterno, riusciamo a mantenere le particelle nella giusta traiettoria!

Ora abbiamo davvero tutto, possiamo accelerare le particelle mantenendole in traiettoria controllando a dovere il fascio: pensate che LHC riesce a mantenerlo più sottile di un capello!

Iniziamo a costruire LHC

assemblaggio test lhcCosa ci manca? In realtà tutto quanto. La tecnologia per ottenere quello che vi ho descritto sopra, con quelle proporzioni ed energie in gioco semplicemente non esisteva. Hanno dovuto inventarla appositamente per costruire questo formidabile acceleratore.

Vediamo passo passo come hanno risolto questi immani problemi tecnici.

La parte più semplice è recuperare le particelle da accelerare. Large Hadron Collider significa grande collisore di adroni: gli adroni sono una famiglia di particelle delle quali fanno parte i protoni, ed i protoni a loro volta si trovano nel nucleo degli atomi. L’atomo più semplice dal quale estrarre i protoni è l’atomo di idrogeno perché nel nucleo è presente un solo protone, attorno al quale orbita un elettrone. Quindi inizialmente recuperiamo degli atomi di idrogeno da una semplice bomboletta di idrogeno.

idrogeno_lhcQui a sinistra vedete il contenitore di idrogeno ed in basso il sistema ad alta tensione che strappa gli elettroni dall’atomo, trasformandolo in uno ione, isolando così i protoni da iniettare in LHC! Una volta ottenuti gli elettroni questi vengono accelerati tramite 4 stadi acceleratori più piccoli: LINAC2, PSB, PS, SPS. La loro potenza è centinaia di volte inferiore a quella di LHC.

lhc_injectionArrivati ad LHC, una delle sfide più grandi fu riuscire ad alimentare i suoi potentissimi magneti. Abbiamo detto che controllare questo microscopico fascio di particelle equivale a voler tenere sospeso in aria un treno frecciarossa facendolo viaggiare in traiettoria circolare ai 200 all’ora. Quindi immaginate di farlo tramite dei comuni magneti. Anche i meno pratici di elettrotecnica o meccanica si renderanno conto di quanto questa cosa sia allucinante.

Nelle comuni abitazioni sono presenti cavi elettrici che normalmente arrivano ad un diametro di 2mm nella sezione di rame. Forse vi è capitato di trovare qualche cavo intiepidito oppure caldo, dovuto all’eccessivo passaggio di corrente. Le correnti in gioco nelle nostre abitazioni con tensioni attorno i 220 volt si aggirano sui 10 ampere durante il pieno carico della casa (poi salta il contatore).

LHC per alimentare i propri magneti necessita di ben 12.000 ampere a circa 12.000 volt!

cern_cavo_superconduttore

Per trasportare tutta questa energia serve un cavo molto più grande rispetto a quelli casalinghi: i magneti di LHC richiederebbero cavi di ben 30cm di diametro! E nonostante tutto avrebbero il problema del surriscaldamento. Visti i costi del rame ed il suo peso, è impensabile immaginare di stendere cavi del genere per 27 chilometri. Per risolvere il problema si è pensato di utilizzare uno speciale materiale che, se raffreddato sotto i -270 gradi, diventa superconduttore. Questo significa che si comporta come un “cavo perfetto” trasportando tantissima energia senza surriscaldarsi e senza disperderne lungo il tragitto.

Vediamo allora come si presenta LHC secondo quanto detto sopra:

lhc explainedEcco come si presenta il nostro dipolo: notiamo vari strati protettivi, connessioni ausiliarie, piastre metalliche di fissaggio, e tubazioni per il passaggio di elio liquido per poter raffreddare il tutto a -270°.

interno lhcL’elio liquido va pompato lungo tutto il sistema, ma come per i superconduttori anche qui abbiamo una semplice soluzione: l’elio si trasforma in un superfluido, ovvero un fluido senza attriti. Immaginate di mescolare un bicchiere d’acqua formando un vortice e di vederlo vorticare in eterno: questo è il comportamento dei superfluidi. Ma come mai nell’immagine vediamo dei giunti flessibili? Vi è mai capitato sentir scricchiolare un materiale se riscaldato dal sole? Quando un materiale cambia temperatura anche di pochi gradi, tende a dilatarsi. Viceversa se raffreddato tende a contrarsi: immaginate che contrazioni subisce LHC se portato a -270°! Questi soffietti servono ad assorbire questi movimenti lungo tutto l’anello di 27km. Ma passiamo oltre…

lhc_quadrupoloEcco qui il nostro quadrupolo! Come vedavamo sopra,  serve a concentrare il fascio, diciamo una specie di “messa a fuoco”. Ora manca solo la cavità risonante, ovvero l’equivalente delle piastre polarizzate (che abbiamo visto ad inizio articolo), in grado di accelerare le nostre particelle.

cavita risonante lhcQuesto è un esempio di cavità risonante. In LHC ne sono presenti 16, divise in quattro gruppi, due per fascio. Viene alimentata con un fascio di elettroni ad una frequenza di 400mhz. Immaginiamo di far lampeggiare una torcia accendendola una volta al secondo: corrisponde esattamente ad 1 hertz. Chiaramente 400mhz sono 400 milioni di volte al secondo. Come mai questo valore? Le particelle vengono spinte alla velocità della luce, quindi percorrono tutto l’anello di 27km circa 11.000 volte al secondo. Se avessimo un solo “pacchettino di particelle” basterebbero 11.000 accelerazioni al secondo, quindi essattamente un impulso ad ogni passaggio del pacchettino, per spingerlo più veloce. In realtà per ottimizzare la macchina e sfruttarla al massimo, vengono iniettati ben 36.000 “pacchettini” quindi:

Frequenza = 11.000 Cicli al secondo nell’anello * 36.000 pacchettini

Risultato = 400.000.000 hertz (i fisici mi devono scusare ho arrotondato di poco le cifre tanto per semplificare)

lhc_completoQui vediamo uno schema completo di LHC. I due fasci, provenienti dagli acceleratori più piccoli, viaggiano in direzioni opposte e vengono inseriti tramite appositi punti di iniezione. In qualsiasi istante, nelle zone in cui sono presenti gli esperimenti ALICE, ATLAS, LHC-B e CMS, è possibile decidere di far contrare le particelle dei due fasci e misurare tramite apposite strumentazioni i risultati di questo scontro. I vari esperimenti infatti non sono altro che diversi tipi di rilevatori ed ognuno a modo suo cattura aspetti differenti delle collisioni tra particelle.

lhc_cms_atlas_aliceQuesti enormi rilevatori avvolgono il fascio di particelle durante la collisione e salvano una quantità incredibile di dati che i ricercatori utilizzeranno come risultati dell’esperimento.

Ma quando l’esperimento si è concluso, che succede alle particelle residue che viaggiano dentro LHC? Ricordando che hanno l’energia di un treno in corsa, forse non è il caso di abbandonarle al loro destino: potrebbero distruggere l’acceleratore! E’ presente, come potete vedere in una delle immagini precedenti, un punto di “scarico” del fascio. In poche parole esiste una speciale stanza dove all’interno è stato inserito un blocco di cemento armato grande come un tir dentro al quale è inserito un cilindro in grafite. Tutto questo raffreddato ad acqua (per dissipare l’enorme calore generato!). Quando il microscopico fascio viene scaricato contro questo enorme blocco di cemento, la sua potenza è tale che oltre a riscaldarlo, il colpo lo sposta addirittura di qualche centimetro!

Ecco le varie sezioni che si ripetono lungo il raggio di LHC: ho preparato una piccola animazione in 3d per capirne le mastodontiche proporzioni:

Riassumendo:
- N° 1232 dipoli
- N° 400 quadrupoli
- Migliaia di altri tipi di magneti
- N° 16 cavità risonanti in 4 criomoduli (due per fascio) a 400mhz
- 27km di tubo sottovuoto e raffreddato a -270° con elio liquido!
- 150.000.000 di watt in consumo elettrico

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