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...

Acceleratori nel mondo

CATEGORIA NUMERO

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

TOTALE 15000

Gliacceleratoriusati per la ricerca purasonocostruiti ailimiti dellatecnologiaattuale e sonoanch’essiricercatecnologica.

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 acceleratoricircolari

Il primo acceleratore (Lawrence, 1929, costo 25$)

10 cm

Magneti di varie forme sonocombinati in un reticolo per guidarele particelle in una traiettoriacircolare

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 caricheavvenga 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 1025

Aspirapolvere 2 x 1025

Isolamento del freezer 1022

Lampadina 1020

Thermos 1019

Tubo della TV 1014

Orbit (300km) 1014

LHC 1012

Surface of Moon 1011

Spazio interstellare 105

non e’ una cosa semplice...

Che differenza c’e’ tra un acceleratore a protoni e uno a elettroni ?

protoni

elettroni

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)

2. Come e’ fatto LHC(un gioiello della tecnologia)

Il grafico di Livingstone

protoni

protoni

Il Tunnel di LHC

9 km

20

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 ~ 1011 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 ditrasportabilita’ 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 m3

• I protoni si urtano ad una frequenza di 40 MHzSulle 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 datipari ad 1 DVD ogni 10 sec. (> 100,000 l’anno)

10 settembre 2008 (la partenza di LHC)

Un evento planetario...

I primi protoni circolano con successo e con relativafacilita’ 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)

Cable Junction Box

Cross-section

Upper Tin/Silver

Soldering alloy Layer

Inter-Cable Tin/Silver

Soldering Alloy Layer

Superconducting

Cable in Copper

Stabilizer

Upper Copper

Profile

Lower Copper U

Profile

Lower Tin/Silver

Soldering Alloy Layer

Completed

Junction

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 connessioniIn tale momento anche un resistenza piccola ( n , puo’ creare un forte Effetto Joule (E=I2 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 ripartireIn 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...