Large Hadron Collider

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Indice

1 Finalità
2 Tecnologie
3 Energie in gioco
4 Trattamento dei dati
5 Rischi
6 Note
7 Voci correlate
8 Altri progetti
9 Collegamenti esterni

La catena degli acceleratori del CERN, organizzati in stadi successivi di accelerazione terminanti con l'iniezione in LHC.
Esperimenti a LHC
ATLAS	A Toroidal LHC ApparatuS
CMS	Compact Muon Solenoid
LHCb	LHC-beauty
ALICE	A Large Ion Collider Experiment
TOTEM	Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation
LHCf	LHC-forward
Catena di preaccelerazione
p e Pb	acceleratore lineare per protoni e piombo
(non indicato)	Proton Synchrotron Booster
PS	Proton Synchrotron
SPS	Super Proton Synchrotron

All'interno del tunnel LHC, dove sono stati installati magneti superconduttori.

Il Large Hadron Collider (LHC) è il nuovo acceleratore di particelle, attualmente nelle fasi finali di costruzione presso il CERN di Ginevra per collisioni tra protoni e tra ioni pesanti. L'entrata in funzione del complesso, inizialmente prevista per la fine del 2007,^[1] è stata spostata a maggio 2008^[2] per un inconveniente tecnico avvenuto durante la costruzione il 6 aprile 2007.

La macchina conterrà due fasci di particelle controrotanti, ognuno contenuto in un tubo separato, che verranno scambiati quattro volte, in corrispondenza delle caverne di osservazione dove il tunnel si allarga per contenere le stazioni di misura. In queste stazioni (denominate punti 1, 2, 5 ed 8) vi sono i quattro rivelatori di particelle principali dove avranno luogo gli esperimenti scientifici: si tratta di gigantesche macchine costruite intorno al punto di incrocio dei fasci, dove avverranno numerosissime collisioni fra particelle i cui prodotti saranno lanciati fuori dal tubo ed attraverseranno i rivelatori, dove saranno analizzati. Le altre quattro stazioni saranno utilizzate per funzioni tecniche, ed in queste l'incrocio dei fasci avverrà senza contatto fra di essi.

Il progetto si servirà del tunnel di 27 km costruito per il Large Electron-Positron Collider (LEP) e userà campi magnetici di circa 8 Tesla, generati da magneti superconduttori raffreddati alla temperatura di 1,9 Kelvin (-271,25 °C) da elio liquido superfluido, per guidare nel tubo di accelerazione fasci di protoni a 7 Teraelettronvolt di energia, o di ioni piombo a 2,7 teraelettronvolt per nucleone (575 TeV per nucleo). Queste energie saranno le massime mai raggiunte in un acceleratore di particelle costruito dall'uomo.

Lanciando due fasci identici l'uno contro l'altro, l'energia della collisione nel centro di massa corrisponde alla somma delle energie delle due particelle, arrivando a 14 TeV (1,4x10¹³ eV) nel caso dei protoni: negli esperimenti a targhetta fissa, dove un singolo fascio viene diretto contro un bersaglio, la conservazione della quantità di moto limita l'energia massima utile a valori molto inferiori. LHC non è progettato per l'uso in quest'ultimo tipo di esperimenti. Per dare un'idea della scala di energie in gioco, il tubo catodico di un televisore accelera elettroni a circa 30 keV (3x10⁴ eV) e le macchine per radioterapia operano nella gamma dei megaelettronvolt (10⁶ - 10⁷ eV)

A queste energie cinetiche corrispondono velocità dell'ordine del 99,999999% della velocità della luce (299.792,458 Km/s). Si parla di particelle ultrarelativistiche: esse subiscono gli effetti delle trasformazioni di Lorentz (rallentamento del tempo proprio, contrazione delle lunghezze, aumento della massa effettiva) con un fattore gamma dell'ordine delle migliaia.

L'energia liberata in queste collisioni potrà riconvertirsi spontaneamente in massa, secondo il principio di Einstein, "estraendo dal vuoto" una o più particelle di natura differente da quelle dei fasci originari. Lo scopo principale degli studi sarà cercare fra queste particelle tracce dell'esistenza del bosone di Higgs e misurarne le proprietà: si ritiene che questa particella elementare abbia un ruolo chiave nella spiegazione dell'origine della massa di tutta la materia.

[modifica] Finalità

Sono previsti sei esperimenti da effettuare con LHC: due di essi, ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid), riguardano due rivelatori di particelle di grandi dimensioni e largo spettro; altri due, LHCb e ALICE utilizzano due grandi rivelatori per misure dedicate ad un particolare aspetto della fisica delle particelle, gli ultimi due TOTEM e LHCf, sono di dimensioni più ridotte e ancora più specializzati.

Il rivelatore CMS di LHC

I fisici di tutto il mondo si propongono di utilizzare LHC per avere risposte a varie questioni che reputano fondamentali per il proseguimento dell'indagine fisica.

Cos'è la massa? Sappiamo come misurarla, ma da cosa è determinata?

Qual è l'origine della massa? In particolare, esiste il bosone di Higgs?

Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del plasma di quark e gluoni si verificherà l'origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo?

Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs?

Sappiamo ora che il 95% della massa dell'universo non è costituita da materia simile a quella che conosciamo da tempo. Di che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e l'energia oscura?

Esistono le particelle supersimmetriche (SUSY)?

Esistono le extradimensioni previste da vari modelli emersi dalla teoria delle stringhe? E possiamo "vederle" in qualche modo?

Quali sono le caratteristiche della violazione CP che possono spiegare la dissimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi assenza di antimateria nell'universo?

Cosa si può conoscere con maggiori dettagli di oggetti già noti (come il quark top)?

Verificare sperimentalmente la teoria delle stringhe^[3].

[modifica] Tecnologie

LHC è un Anello di accumulazione, un'evoluzione del sincrotrone volta a permettere lo studio di collisioni frontali fra particelle, massimizzando l'energia del centro di massa. Non a caso il termine inglese inizialmente utilizzato per definire queste macchine era synchro-clash (clash = collisione). Attualmente il termine più frequentemente utilizzato è collider.

L'accelerazione di una particella elementare richiede un campo elettrico, mentre i campi magnetici, pur non compiendo lavoro su una carica in moto, possono modificare la direzione del suo moto: nel sincrotrone, dunque, un anello di dipoli magnetici costringe le particelle a percorrere un'orbita approssimativamente circolare, mentre delle camere di accelerazione disposte lungo il percorso cedono effettivamente energia ai fasci. Il campo magnetico, e dunque la corrente che scorre nei dipoli, è direttamente proporzionale alla quantità di moto delle particelle e deve essere controllato con la precisione di una parte su centomila (nelle macchine più moderne).

Il campo elettrico viene prodotto generando una potente onda elettromagnetica stazionaria all'interno di cavità risonanti: dato che il campo è dunque per definizione oscillante, l'arrivo delle particelle all'interno della cavità deve essere sincronizzato con i momenti in cui il campo è orientato in modo da generare una forza nella direzione del moto (questo è il senso del nome sincrotrone). Ne segue ovviamente che le particelle devono essere concentrate in "pacchetti", tecnicamente detti bunch, che percorrono l'orbita allineati l'uno dietro l'altro e con una spaziatura prefissata. Inoltre, la frequenza dell'onda stazionaria dovrebbe essere modificata in funzione della velocità con cui le particelle percorrono l'orbita: questo non è un problema rilevante per LHC dato che le particelle iniettate sono già estremamente prossime alla velocità della luce quando vengono espulse dall' SPS.

In condizioni di completa operatività la spaziatura fra due bunch in LHC sarà di circa 7,5 metri, corrispondente ad un intervallo temporale di 25 nanosecondi.

La potenza installata per l'accelerazione a LHC è abbastanza modesta: l'intera macchina utilizza solo sedici cavità (8 per fascio), collocate alla stazione 4, alimentate da klystron da 300 kW. Questo è possibile perché i protoni, particelle relativamente massive, anche alle energie di LHC producono poca radiazione di sincrotrone a causa dell'accelerazione centripeta dei dipoli (solo 3,7 kW emessi da un intero fascio). Il fattore limitante per le prestazioni di LHC non è la capacità di immettere nel fascio più energia di quanta esso ne perde, ma quella di costringerlo in orbita: ovvero il campo magnetico dei dipoli, che sono stati realizzati con bobine superconduttive alla frontiera delle possibilità in queste tecnologie.

Nel caso del precedente apparato LEP, l'ordine di priorità era esattamente inverso: l'intensità di campo dei dipoli non era affatto critica, tanto che questi poterono essere realizzati con semplici piastre di acciaio immerse in cemento, mentre il mantenimento dell'energia del fascio richiese l'installazione di centinaia di camere di accelerazione e un consumo elettrico rilevantissimo (nell'ordine delle centinaia di megawatt). È per questo motivo che LHC è stato progettato come collisionatore di adroni.

Ciononostante, le scarse perdite per radiazione dei fasci di LHC non possono essere ignorate, anche se la ragione per cui sono problematiche è fondamentalmente differente. Le pur scarse emissioni potrebbero infatti essere sufficienti a surriscaldare i magneti, che operano con un solo grado Kelvin di margine rispetto alla temperatura critica per la perdità della superconduttività. Per questa ragione è stato necessario prevedere apposite schermature e una linea di raffreddamento dedicata per l'esterno delle beamline (i tubi di fascio).

[modifica] Energie in gioco

L'energia immagazzinata nei vari dispositivi che compongono LHC e nel fascio stesso, in condizioni di funzionamento, sarà estremamente elevata e potenzialmente in grado di danneggiare gravemente la macchina se venisse liberata accidentalmente: per questo motivo, il funzionamento dell'apparato dovrà essere costantemente supervisionato dai tecnici e da un avanzato Machine Protection System in grado di rilevare automaticamente anomalie nel funzionamento e procedere alle opportune azioni correttive, se necessario nel giro di pochi microsecondi.

In caso di malfunzionamenti seri i computer ordineranno un beam dump, ovvero la deviazione immediata di ogni fascio fuori dell'anello e all'interno di un tubo rettilineo che lo porterà a colpire un apposito bersaglio in una zona dove non possa fare danni. Il sistema di dump è collocato alla stazione 6.

Uno degli incidenti più comuni potrebbe essere il quench di un magnete di guida superconduttore, ovvero il surriscaldamento di una parte del suo avvolgimento che porti alla perdita della superconduttività: quando questo accade, la corrente circolante viene rapidamente dissipata e il magnete cessa di funzionare.^[4] In queste condizioni, LHC non può operare e il dump è obbligatorio.

Anche la minima frazione di particelle che viene normalmente persa dall'acceleratore durante il funzionamento potrebbe essere sufficiente a provocare dei quench: per questo motivo, nelle zone di collimazione del fascio (stazioni 3 e 7) sono collocati dei collimatori mobili che dovrebbero intercettare le particelle uscenti dal fascio prima che tocchino un magnete o qualunque altra parte vitale della macchina.

Con una corrente di fascio prevista di 530 milliampere ed un'energia di 7 TeV, la potenza istantanea liberata da ognuno dei due fasci sarà di quasi 4000 gigawatt: durante un'espulsione di emergenza i blocchi di assorbitore dovranno sopportare questa potenza per 91 microsecondi, durante i quali sarà liberata un'energia totale di 362 megajoule, corrispondente all'esplosione di 86 kg di tritolo.

I collimatori posizionati nelle stazioni 3 e 7, oltre ad assorbire il flusso di particelle perse in condizioni normali come già detto, possono resistere fino ad un "colpo" completo dell'SPS, nel caso possibile di un errore in fase di iniezione che porti alla non cattura del fascio in ingresso (energia di 2,4 megajoule)^[5]. Quando questo collaudo è stato effettuato, in concomitanza all'impatto del fascio dei microfoni posti nel tunnel hanno registrato un rumore simile ad un colpo d'arma da fuoco.

[modifica] Trattamento dei dati

Le esperienze che saranno effettuate con questa macchina produrranno enormi quantità di dati, circa 10 Pebibyte di dati per anno. L'unico modo per rendere trattabile questa mole di dati (dovrebbe corrispondere al 10% della massa di dati prodotti annualmente sulla Terra) prevede che vengano utilizzati i canali veloci di trasmissione del sistema Grid per smistare i dati stessi in sistemi di archiviazione ed elaborazione installati nei laboratori, almeno 200, che saranno impegnati in queste ricerche.

Inoltre, bisogna sottolineare che la massa dei dati effettivamente immagazzinata ed analizzata sarà molto inferiore al flusso di misure grezze in uscita dai rivelatori: difatti, la massima parte degli eventi che verranno osservati saranno certamente di natura ben nota e di nessun interesse pratico. Un complesso sistema di rivelatori dedicati ed elaboratori elettronici organizzato in vari stadi, detti stadi di trigger, eliminerà la stragrande maggioranza delle rilevazioni, conservando solo i dati degli eventi ritenuti potenzialmente interessanti in base ad una serie di condizioni specificate dagli sperimentatori.

Nel caso di ATLAS, ad esempio, l'elettronica del primo stadio di trigger sarà collocata in una sala a pochi metri della caverna sperimentale, poiché un tragitto più lungo dei dati (per quanto percorso a velocità simili a quelle della luce) introdurrebbe un ritardo inaccettabile per questo stadio, che deve selezionare da 40 milioni di collisioni al secondo una media di 100.000 eventi. Dopo l'esame del terzo stadio, solo 200 eventi al secondo dovrebbero essere registrati e trasmessi alle strutture di analisi successive.^[6]

[modifica] Rischi

Alcune persone ritengono che l'LHC potrebbe causare la distruzione della Terra o dell'intero Universo.^[7]^[8]^[9] Secondo questi il CERN potrebbe:

Creare un buco nero stabile^[10]
Creare materia strana più stabile della materia ordinaria
Creare monopoli magnetici che potrebbero catalizzare il decadimento dei protoni

La comunità scientifica sostiene che non c'è nessun pericolo. È infatti noto da tempo che la Terra viene costantemente colpita da raggi cosmici di energia anche enormemente superiore a quella dei fasci di LHC, senza che ciò causi alcun danno. Inoltre, se pure venissero prodotti mini buchi neri, essi evaporerebbero immediatamente per via della radiazione di Hawking e quindi sarebbero innocui.

Tuttavia, sostiene il fisico nucleare Wagner^[11] , un mini buco nero creato in laboratorio è considerevolmente differente da uno creato dai raggi cosmici ad alta energia che colpiscono la Terra. Se i raggi cosmici producono veramente mini buchi neri, come sostengono alcune teorie, viaggerebbero a una velocità relativa alla Terra molto alta (0,9999 c) e, come un neutrino, attraverserebbero la Terra in circa 0,25 secondi senza interagire con la materia; o al massimo se interagissero comunque inghiottirebbero al massimo qualche quark a un ritmo molto lento.

Al contrario un mini buco nero creato nell'LHC sarebbe relativamente a riposo, e ci sarebbe una probabilità su 10^5 che non raggiunga la velocità di fuga terrestre [1]; nel caso la velocita del minibuco nero fosse minore della velocità di fuga della Terra verrebbe catturato dal campo gravitazionale terrestre e dopo un po' di tempo interagirebbe lentamente con la materia e acquisterebbe sempre più massa fino a inghiottire la Terra. Questo a patto che la radiazione di Hawking non esista perché se esistesse allora il mini buco nero evaporerebbe e non ci sarebbe pericolo.

Per quanto riguarda la radiazione di Hawking la sua esistenza non è stata ancora verificata e quindi potrebbe anche non esistere. Se non esistesse i mini buchi neri creati sarebbero stabili e potrebbero distruggere la Terra. Tuttavia, afferma il fisico Landsberg, anche se Hawking sbagliasse il mini buco nero divorerebbe la materia così lentamente che per divorare un milligrammo ci vorrebbe più dell'età dell'universo ^[12].

Tuttavia secondo alcuni [2] l'accrescimento del buco nero sarebbe esponenziale e non lineare, come invece sostengono i fisici del CERN. Questo per vari motivi:

Per calcolare la velocità di accrescimento del buco nero il CERN ha utilizzato il "raggio di Schwarzschild" per la accretion cross section. Quando il minibuco nero viaggia a velocità molto basse, non bisogna utilizzare il raggio di Schwarzschild per calcolare l’accrescimento. Questo perché a velocità basse il raggio di cattura del buco nero è più grande del raggio di Schwarzschild. Se la velocità del MBN fosse zero, l’attrazione gravitazionale sarebbe attiva a una distanza maggiore del raggio di Schwarzschild.
Se un MBN inghiotte un elettrone, acquisterà una carica e di conseguenza inghiottirà un protone.
Se un MBN inghiotte un quark probabilmente inghiottirà un protone. Quando un quark viene catturato, l’intero nucleone verrà probabilmente catturato perché in caso contrario il buco nero avrebbe acquisito un carica frazionaria (Per esempio - 1/3.). In un nucleo una carica frazionaria è instabile e non è permessa. Questo suggerisce fortemente che il MBN dovrà inghiottire altre cariche frazionarie per acquisire una carica intera.
Le forze di Gauge a brevi distanze potrebbero aiutare un MBN a catturare un nucleo atomico. Secondo James Blodgett un MBN a bassa velocità catturerà 8.400 nucleoni ogni ora, all’inizio di un processo esponenziale.
Al centro della Terra accadrebbero nuovi processi che incrementerebbero le dimensioni del buco nero: come già menzionato più su, in dieci anni 3.160 MBN potrebbero venire catturati dalla Terra. Tutti i MBN perderanno progressivamente velocità a causa di numerose interazioni. Dopo un certo lasso di tempo tutti questi MBN si dirigeranno verso il centro gravitazionale della Terra. In seguito a numerose interazioni si fermeranno lì e si uniranno in un solo MBN.
La massa di questo MBN sarà all’incirca 0.02 g e il suo raggio sarà 4 x 10^-17 m. Al centro della Terra, la pressione è 3.6 x 10^11 Pascal. Questa pressione è generata dalla materia della Terra che preme sulla nube elettronica degli atomi del nucleo. Il moto degli elettroni è responsabile della pressione "degenerescence" che controbilancia la pressione della Terra.
Intorno a un buco nero non c’è una nube elettronica e non c’è una pressione degenerescence che controbilanci la pressione di tutta la materia della Terra. La pressione è uguale a forza diviso superficie. Se F= Costante e la superficie diminuisce la pressione aumenterà. Qui F è il peso della Terra e questo non cambia. Poiché la superficie del MBN sarà molto piccola, la pressione sulla sua superficie sarà approssimativamente 7 x 10 ^ 23 Pa. L’alta pressione in questa regione spingerà tutta la materia in direzione del MBN.
Verranno catturati prima gli elettroni e poi i nuclei.
E’ certo che gli atomi verranno catturati uno dopo l’altro e più la pressione sarà grande più l’accrescimento sarà veloce. Quando una stella di neutroni comincia a collassare in un buco nero (implosione), all’inizio il buco nero è soltanto un mini buco nero che poi si espanderà fino a diventare di dimensioni normali. L’accrescimento del mini buco nero in una stella di neutroni è accelerato dalla pressione gravitazionale che rompe la forza forte che tiene uniti i quark all’interno dei nucleoni.
Al centro della Terra la pressione è normalmente troppo bassa per avviare questo processo, ma se creiamo un MBN a bassa velocità che non evapora e se questo buco nero precipita al centro della Terra dove resta a riposo, la pressione al centro della Terra potrebbe essere sufficiente per la crescita del MBN. Bisogna ricordare che nelle vicinanze del MBN la "forza forte" è rotta e questo significa che lo stesso tipo di processo che avviene in una stella di neutroni potrebbe funzionare lì ( comunque in modo più lento rispetto alla stella di neutroni ). Al centro della Terra, l’alta pressione, l’alta temperatura, la massa in crescita associati con le forze elettriche e di gauge potrebbero determinare un processo di accrescimento esponenziale. Un MBN di 0.02 g a riposo al centro della Terra potrebbe inghiottire materia a un ritmo che va da 1 g/sec a 5 g/sec.