LHC Il Large Hadron Collider al CERN P.Campana Seminario INFN Ischia - 06.10.09
1. Cosa e un acceleratore?
Gli acceleratori di particelle sono dappertutto Applicazioni industriali Sterilizzazione dei cibi Microscopi ad elettroni Trattamento dei materiali con radiazioni Applicazioni mediche Radiologia, terapia del cancro Sterilizzione degli strumenti Produzione di isotopi per analisi Strumenti di ricerca per molti campi scientifici e non Esperimenti di fisica delle Alte Energie Sorgenti di luce per studi di chimica, biologia, etc.. Sorgenti di neutroni Beni culturali, etc...
CATEGORIA Acceleratori nel mondo Impiantazioni ioniche 7000 Acceleratori nell industria 1500 Acceleratori in ricerca non-nucleare 1000 Radioterapia 5000 Produzione di isotopi per medicina 200 Adroterapia 20 Sorgenti di luce di sincrotrone 70 Ricerca nucleare e subnucleare 110 NUMERO TOTALE 15000 Gli acceleratori usati per la ricerca pura sono costruiti ai limiti della tecnologia attuale e sono anch essi ricerca tecnologica.
Il piu semplice acceleratore che si possa costruire E= 1.5 ev (electron Volt)
Un altro acceleratore casalingo : il tubo catodico della TV elettroni
Gli ingredienti di un acceleratore vero: i magneti (per deflettere le particelle) un campo elettrico oscillante (per accelerarle) il vuoto (nel tubo nel quale viaggiano le particelle per evitare che queste si scontrino con le molecole di aria) Per semplicita consideriamo solo gli acceleratori circolari
10 cm Il primo acceleratore (Lawrence, 1929, costo 25$)
Magneti di varie forme sono combinati in un reticolo per guidare le particelle in una traiettoria circolare Dipole F Quadrupole D Quadrupole
Accelerazione con campi elettrici a radiofrequenza Videroe (1928): applicare, al posto di un campo elettrico fisso, un campo oscillante con frequenza opportuna tale che il passaggio delle particelle cariche avvenga al momento giusto
Tutto quello che serve per un acceleratore
Il vuoto nel tubo dove passano le particelle Particelle m -3 Atmosfera 2.5 x 10 25 Aspirapolvere 2 x 10 25 Isolamento del freezer 10 22 Lampadina 10 20 Thermos 10 19 Tubo della TV 10 14 Orbit (300km) 10 14 LHC 10 12 Surface of Moon 10 11 Spazio interstellare 10 5 non e una cosa semplice...
Che differenza c e tra un acceleratore a protoni e uno a elettroni? protoni La radiazione emessa dagli elettroni durante il moto circolare e infinitamente piu grande di quella emessa dai protoni: a parita di energia e di diametro della macchina serve moltissima potenza in piu. Con gli elettroni c e un limite pratico oltre il quale non si puo andare (si passa poi agli acceleratori lineari) elettroni
2. Come e fatto LHC (un gioiello della tecnologia)
Il grafico di Livingstone
Il Tunnel di LHC protoni protoni
9 km
La macchina LHC in pillole - (2 x 7 TeV di protoni) Un impresa al limite delle tecnologie attuali ( ricadute) 1200 dipoli magnetici superconduttori (tenuti a T=1.9 K o -271 C) ~ 2800 pacchetti circolanti, ciascuno con ~ 10 11 protoni ~ 370 MJ un ETR lanciato a 150 km/h l energia necessaria a fondere 1 T di rame Il sistema criogenico e ad Elio Superfluido (scelto per le sue caratteristiche di trasportabilita su grandi distanze) - Consumo di elettricita ~ 120 MW Il fascio circola in una ciambella dove e stato fatto un vuoto ultraspinto per evitare le collisioni con il gas residuo: 10-13 atm. Il volume e di 9000 m 3 I protoni si urtano ad una frequenza di 40 MHz Sulle fibre ottiche che portanto I dati ai calcolatori, c e un evento in fila ogni 4-5 m! I 4 esperimenti producono una quantita di dati pari ad 1 DVD ogni 10 sec. (> 100,000 l anno) 20
10 settembre 2008 (la partenza di LHC)
Un evento planetario...
I primi protoni circolano con successo e con relativa facilita in LHC alcuni eventi vengono visti negli apparati E il trionfo della Fisica (BIG SCIENCE) a livello globale...
... ma se si fosse prestato attenzione ai dettagli...
18 settembre 2008 (...la caduta degli dei...)
...una caduta rovinosa...
3. Cosa e successo a LHC
Perche LHC si e rotto? I magneti superconduttori di LHC sono interconnessi elettricamente da giunzioni in rame, saldate tra di loro (ce ne sono 30,000)
Upper Tin/Silver Soldering alloy Layer Upper Copper Profile Superconducting Cable in Copper Stabilizer Inter-Cable Tin/Silver Soldering Alloy Layer Lower Tin/Silver Soldering Alloy Layer Completed Junction Lower Copper U Profile Cable Junction Box Cross-section Questi giunti presentano una resistenza piccolissima in presenza di Superconduttivita Se pero accidentalmente la Superconduttivita sparisce ( quench ), una corrente notevole (9000 A) puo passare in queste connessioni In tale momento anche un resistenza piccola ( n, puo creare un forte Effetto Joule (E=I 2 R ) e fondere la giunzione, con gravi effetti...
Una di queste giunzioni, fondendosi, ha perforato la camicia che conteneva l Elio superfluido, che e entrato in contatto con la temperatura ambiente, ha vaporizzato istantaneamente, provocando un onda d urto che ha spostato dallla loro sede una serie di magneti ciascuno del peso di decine di tonnellate
A causa della bassa temperatura nel pozzo, dell interruzione dell energia elettrica e della presenza di magneti staticamente instabili ha obbligato ad aspettare diverso tempo (settimane) prima di iniziare le riparazioni Insieme alle riparazioni e allo studio di cosa era successo, e partito un massiccio controllo di tutti i sistemi di protezione ed in generale di tutti i punti critici che nella corsa all inaugurazione del settembre 2008 erano stati ignorati o parzialmente affrontati Speriamo che non ce ne sia qualcun altro nascosto...
4. Il futuro
6 sezioni su 8 della macchina sono pronte per ripartire In 2 sezioni si stanno raffreddando i magneti A meta novembre la macchina dovrebbe essere in grado di circolare di nuovo i fasci di particelle e continuare il lavoro interrotto il 18 settembre 2008 In meno di 1 mese (prima di Natale?) si dovrebbe essere in grado di far collidere i fasci prima ad una energia minimale (450 GeV per fascio ) e poi ad una piu alta (3,500 GeV/fascio) Il tutto ad una intensita almeno 1000 volte piu bassa di quella nominale (per motivi di sicurezza del sistema) Nel 2010, anche in base al funzionamento di LHC, si salira gradualmente in energia (5 TeV/fascio) ed in intensita Nell ambiente c e un ragionevole ottimismo. Tuttavia...
... nel frattempo, affidiamoci ad antichi modelli di descrizione del caso...... Aglio e frattaglio, corno e bicorno...