Sette anelli. L'anello 1 è il vero LHC, l'anello 2 segue uno studio reale del CERN e dall'anello 3 gli anelli sono fantascienza.
Ampliare costa bosoni di Higgs. Azzera dati, upgrade e scorte di particelle, mantiene il Codex e le particelle mitiche, alza la resa in modo permanente di ×1,6 per anello, innalza il limite di energia e aggiunge al repertorio le particelle del nuovo anello. Ogni anello porta esattamente una nuova meccanica.
PROF. QUARK
“Nuova meccanica: dopo l'espansione la luminosità parte dal livello 1, quindi il fascio collide subito da solo. L'espansione azzera dati e upgrade; Codex e particelle mitiche restano, e la resa sale per sempre a ×1,6.”
Il nuovo anello non parte da zero. Il precedente resta al suo interno come preacceleratore congelato e completamente costruito, e inietta il fascio a circa un quindicesimo dell'energia che di solito raggiungi nel nuovo anello, un po' come l'SPS reale (450 GeV) alimenta l'LHC (7 TeV). Ogni livello del fascio costruisce poi ulteriormente il nuovo anello.
I grandi acceleratori non partono da zero: un anello più piccolo porta prima il fascio all'energia di iniezione. L'SPS alimenta l'LHC con protoni da 450 GeV e l'LHC li porta a 7 TeV, circa quindici volte di più. Per l'FCC l'LHC sarebbe il preacceleratore a circa 3,3 TeV, e il nuovo anello arriverebbe a circa 50 TeV. L'SPS si trova dentro il cerchio dell'LHC, ma vicino al suo bordo, a Meyrin; due brevi linee di trasferimento (TI 2 e TI 8) iniettano tangenzialmente i due fasci dell'LHC, uno per verso. Il progetto FCC colloca allo stesso modo l'LHC sul bordo dell'anello da 91 km.
PROF. QUARK
“Il vecchio anello (Anello LHC) ora fa da preacceleratore, come al CERN l'SPS, che alimenta l'LHC a 450 GeV. Per questo il tuo fascio parte da 375,8 GeV, circa un quindicesimo di ciò che questo anello raggiunge. Ogni livello del fascio costruisce, a vista, un altro pezzo del nuovo anello.”
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All'inizio della catena, il Linac 4 accelera ioni negativi di idrogeno fino a 160 MeV; all'iniezione nel Booster vengono privati degli elettroni e restano i protoni. Una linea retta non ha bisogno di magneti curvanti e quindi non emette luce di sincrotrone.
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Il Booster è formato da quattro anelli sovrapposti di 157 m di circonferenza. Porta i protoni a 2 GeV e raggruppa i pacchetti in modo da poter riempire il sincrotrone successivo.
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Il PS è entrato in funzione nel 1959: 628 m di circonferenza, protoni fino a 26 GeV, ancora oggi il centro di smistamento del CERN. Dà ai pacchetti la spaziatura di 25 ns che poi serve all'LHC.
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L'SPS misura quasi 7 km di circonferenza e accelera i protoni a 450 GeV prima che entrino nell'LHC. Nel 1983, usato come collisore protone-antiprotone, scoprì i bosoni W e Z. Due linee di trasferimento portano i fasci tangenzialmente nell'anello principale.
Il rivelatore attorno al punto di collisione è costruito a strati. Ogni livello di sottorivelatore aggiunge materiale visibile, dagli strati di vertice all'interno alle camere a muoni all'esterno.
Al centro corre il tubo del fascio in ultra-alto vuoto (circa 10⁻¹⁰ mbar), così i protoni non urtano atomi di gas; vicino al rivelatore è di berillio, che rallenta appena le particelle. Qui si incrociano i pacchetti controrotanti, e solo una piccola parte dei protoni collide davvero.
Tutte le collisioni avvengono qui. L'energia del fascio decide quali particelle possono formarsi.
Lo strato più interno di pixel di silicio sta a pochi centimetri dal punto di collisione. Misura le tracce con una precisione di pochi micrometri e trova da dove partono. Particelle come gli adroni B o il tau volano da frazioni di millimetro fino a qualche millimetro prima di decadere: un vertice secondario spostato le tradisce.
Potenzia le particelle con decadimenti spostati: τ, J/ψ, adroni B, top, LQ e N.
Strip e pixel di silicio misurano la traiettoria delle particelle cariche in molti punti. Un campo magnetico (CMS 3,8 T, ATLAS 2 T) curva le traiettorie: dal raggio si ricava l'impulso, p ≈ 0,3 · B · r (p in GeV/c, B in tesla, r in metri), dal verso della curvatura il segno della carica. Le particelle neutre non lasciano traccia.
Potenzia le particelle cariche che lasciano tracce: π, K, p, W e particelle cariche pesanti.
Una bobina superconduttrice produce un campo parallelo all'asse del fascio (CMS 3,8 T, ATLAS 2 T). Le particelle cariche vi percorrono archi: più grande è l'impulso, più dritta è la traiettoria. È raffreddata con elio liquido a circa 4,5 K.
La bobina cresce con l'upgrade del campo magnetico, che rinforza anche i dipoli dell'anello.
Elettroni e fotoni innescano nel materiale denso uno sciame di elettroni, positroni e fotoni, finché tutta l'energia è assorbita e misurata (ATLAS: piombo e argon liquido, CMS: cristalli di tungstato di piombo). Anche il bosone di Higgs è stato scoperto nel 2012 grazie ai decadimenti in due fotoni.
Potenzia elettrone, fotone, Higgs e altre particelle che depositano qui la loro energia.
Adroni come pioni, protoni o neutroni innescano cascate per interazione forte nell'acciaio o nell'ottone (ATLAS o CMS); il calorimetro misura così l'energia di interi jet. Neutrini e muoni lo attraversano quasi inosservati.
Fa parte dell'upgrade «Calorimetro»: il guscio adronico dal livello 3.
I muoni sono circa 200 volte più pesanti degli elettroni, irraggiano poco e quindi attraversano tutto ciò che li precede. Per questo i tubi a deriva e le camere stanno all'esterno: ciò che lì dà ancora un segnale è quasi sempre un muone. Decadimenti come Z → μμ si riconoscono così in modo particolarmente pulito.
Potenzia muone, Z, Z′ e A′. I livelli più alti aggiungono stazioni esterne: il rivelatore cresce.
ATLAS ha otto grandi bobine toroidali intorno all'asse del fascio. Creano nel sistema a muoni un secondo campo, ad anello, in cui i muoni vengono curvati ancora una volta: così il loro impulso è misurato indipendentemente dal tracciatore. Per questo il rivelatore è alto circa 25 m e lungo 44 m.
Le otto bobine compaiono con il livello 4 delle camere a muoni.
Anello 1 · 27 km di circonferenza
L'LHC si trova da 50 a 175 m sottoterra, al confine tra Svizzera e Francia, tra il Giura a nord-ovest, le Alpi a sud-est e il lago di Ginevra. Il tunnel di 26,7 km fu scavato in origine per l'anello elettrone-positrone LEP, entrato in funzione nel 1989.
L'anello 1 è l'anello dell'LHC, 27 km di circonferenza con un tetto di energia di 20 TeV. L'espansione all'anello dell'FCC è nella scheda Anello.
Sito del CERN. Il CERN è stato fondato nel 1954 ed è il più grande laboratorio di fisica delle particelle. Sul sito sorgono le sale dei grandi esperimenti (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) con i loro rivelatori, che circondano il fascio in quattro punti dell'anello.
Anello 2 · 91 km di circonferenza
L'FCC è un progetto studiato al CERN per un tunnel ad anello di circa 91 km: prima come collisore elettrone-positrone (FCC-ee, una fabbrica di Higgs e di Z), poi per protoni (FCC-hh, circa 85-100 TeV di energia nel centro di massa). Non è ancora stato approvato.
Anello 2: ora il lago sta dentro l'anello, il tetto di energia sale a 100 TeV e la luminosità parte dal livello 1.
Anello 3 · 3.000 km di circonferenza
FANTASCIENZA · solo l'anello, non il corpo celeste
A parità di intensità dei magneti, l'energia raggiungibile cresce con il raggio (E ≈ 0,3 · B · r). Un anello di 3000 km di circonferenza invece di 91 km, con gli stessi magneti, arriverebbe a oltre trenta volte l'energia dell'FCC, cioè qualche PeV. Nessuno sta costruendo una cosa del genere.
Anello 3: doppio fascio, ogni decima collisione conta doppio. L'anello è fantascienza.
Anello 4 · 40.000 km di circonferenza
FANTASCIENZA · solo l'anello, non il corpo celeste
Nel 1954 Enrico Fermi calcolò che un anello acceleratore intorno alla Terra con magneti da 2 T porterebbe i protoni a circa 5000 TeV: un esperimento mentale, non un progetto. Per confronto, i raggi cosmici più energetici superano i 10²⁰ eV, milioni di volte più dell'LHC.
L'anello 4 racchiude la Terra (40.000 km), l'anello 5 le gira intorno come orbita della Luna, dall'anello 6 è un punto sull'anello. Gli anelli sono fantascienza.
Anello 5 · 2,4 milioni di km di circonferenza
FANTASCIENZA · solo l'anello, non il corpo celeste
La Luna orbita intorno alla Terra a circa 384.000 km, e un giro dura poco più di 27 giorni. Mostra sempre la stessa faccia (rotazione sincrona) e solleva le maree. Un anello sulla sua orbita avrebbe circa 2,4 milioni di km di circonferenza.
Anello 5: eventi anomalia, toccali per un boost temporale o un drop di massa. L'anello è fantascienza.
Anello 6 · 940 milioni di km di circonferenza
FANTASCIENZA · solo l'anello, non il corpo celeste
Il Sole è un reattore a fusione: nel suo nucleo l'idrogeno si fonde in elio a circa 15 milioni di K. Emette il vento solare (protoni a circa 400 km/s) e neutrini; circa 6 · 10¹⁰ di questi colpiscono ogni centimetro quadrato della Terra ogni secondo, quasi tutti senza ostacoli.
Anello 6: secondo rivelatore, due incroci per giro, il ritmo si dimezza. L'anello è fantascienza.
Anello 7 · oltre il sistema solare
FANTASCIENZA · solo l'anello, non il corpo celeste
Il vento solare gonfia intorno al Sole una bolla nel gas interstellare. Allo shock di terminazione, a circa 85-95 UA, viene rallentato; l'eliopausa, a circa 120 UA, lo separa dallo spazio interstellare. La Voyager 1 l'ha attraversata nel 2012, e la bolla scherma una parte dei raggi cosmici.
Anello 7: ogni particella dotata di massa si può raggiungere come risonanza con la sintonia. L'anello è fantascienza.
I magneti dipolari tengono le particelle sulla loro orbita circolare: la forza di Lorentz le curva, con p ≈ 0,3 · B · r. Più energia richiede un campo più forte o un anello più grande. L'LHC ha 1232 dipoli superconduttori, lunghi circa 15 m ciascuno, che producono 8,3 T a 1,9 K e tengono protoni da 7 TeV su una circonferenza di 27 km.
L'upgrade «Campo magnetico» rinforza i dipoli e li avvolge in bobine di rame. Ogni 10 livelli del fascio l'intero anello passa a una nuova era.
Nelle cavità a radiofrequenza un campo elettrico oscilla al ritmo dei pacchetti: li accelera un poco a ogni giro e li tiene raccolti in pacchetti. L'LHC ha otto cavità superconduttrici a 400 MHz per fascio, da circa 2 MV ciascuna, 16 MV per fascio in totale.
Ogni 6 livelli di energia del fascio si aggiunge un altro modulo RF (al massimo 10).
I magneti quadrupolari agiscono come lenti: focalizzano il fascio in un piano e lo defocalizzano nell'altro; disposti in alternanza, nel complesso lo focalizzano. Un tripletto davanti al rivelatore stringe il fascio a circa 17 µm; più piccola è la sezione, più collisioni.
Ogni due livelli di «Focalizzazione» si aggiunge un tripletto per lato del rivelatore (al massimo 6); la focalizzazione allarga anche la finestra di tiro.
I magneti superconduttori perdono ogni resistenza elettrica sotto una temperatura critica. L'LHC li raffredda con circa 100 tonnellate di elio liquido a 1,9 K: più freddo dello spazio vuoto (2,7 K), ed è il più grande impianto criogenico del mondo.
Ogni livello di «Criostato» aggiunge un altro serbatoio (al massimo 10) e prolunga il funzionamento offline.
L'elio liquido circola in una tubazione lungo i magneti. Sotto 2,17 K l'elio diventa superfluido: conduce il calore in modo eccezionale e non ha praticamente viscosità, ideale come refrigerante per i magneti.
La linea compare dal livello 2 dell'upgrade «Criostato».
I protoni non viaggiano come un flusso continuo ma in pacchetti. L'LHC contiene fino a 2808 pacchetti per fascio con circa 10¹¹ protoni ciascuno, a 25 ns di distanza. Due fasci corrono in versi opposti in tubi separati e si incrociano solo nei rivelatori: ogni incrocio porta decine di collisioni.
Spari al ritmo dell'incrocio (finestra di tiro). L'upgrade «Luminosità» aumenta il numero di collisioni al secondo e sblocca l'automazione.
Le particelle cariche su un'orbita circolare irraggiano luce in direzione tangente. La potenza cresce come E⁴ / (m⁴ · r²): a parità di energia un elettrone perde circa 10¹³ volte più di un protone. Per questo l'LHC usa protoni, e per l'anello di elettroni LEP (104,5 GeV) il limite era l'irraggiamento.
I ventagli di luce crescono con il livello del fascio: più alta è l'energia, più luminosa e dura è la luce.
