Che cosa farà LHC nei due anni di pausa?

Qualche giorno fa, in occasione dell'annuncio della chiusura della attività di LHC per i prossimi due anni, qualcuno mi chiedeva di spiegare quali saranno le attività che interesseranno l'acceleratore, in vista della riaccensione prevista nel 2015.

Se ricordate, LHC doveva partire nel 2008, collidendo protoni contro protoni a un'energia del centro di massa di 14 TeV, 7 TeV per fascio. Un'energia del genere non si raggiunge in un solo colpo, e le attività erano iniziare con fasci prima a 900 GeV, l'energia alla quale i protoni entrano in LHC iniettati dall'SPS, e poi sempre maggiore. È stato durante un tentativo di portare i fasci a circa 5 TeV che è successo l'incidente che ci ha tenuti fermi un anno.

I magneti che tengono i protoni in ordita circolare lungo l'anello di 27 chilometri devono fare circolare correnti sempre maggiori mano a mano che l'energia dei protoni aumenta: più i protoni viaggiano veloci, maggiore è l'intensità del campo magnetico necessario per tenerli in strada, maggiore la corrente necessaria. Quello che è successo nel 2008 può riassumersi così: per far circolare correnti così elevate i magneti sono superconduttori, e lavorano a temperature molto molto basse. Se la temperatura sale per una ragione o per l'altra, i conduttori nei magneti smettono di essere superconduttori, e l'enorme corrente che li attraversa li scalda. Nel caso dell'incidente, una delle connessioni tra un magnete e l'altro aveva una resistenza troppo elevata rispetto a quella che avrebbe dovuto, e il passaggio della corrente l'aveva scaldata, provocando il riscaldamento del resto del magnete, e una fuoriuscita incontrollata e disastrosa dell'elio che usiamo per raffreddare i magneti. Quench, e bum!

Il risultato lo conoscete: un anno per riparare la sezione danneggiata, e una ripresa delle attività nel 2009 a energia ridotta, per evitare altri riscaldamenti simili. Praticamente tutte le connessioni mostravano infatti lo stesso problema di resistenza troppo elevata.

Finito il primo periodo di presa dati, si pone oggi il problema di cosa fare per portare LHC in condizione di porte accelerare protoni a 7 TeV, invece del 3.5 TeV ottenuti finora. Visto l'esperienza del 2008, le cose da fare sono in sostanza due: sostituire le connessioni tra i magneti che hanno una resistenza troppo alta (praticamente tutte), e installare delle valvole aggiuntive che possano sfogare l'elio senza effetti disastrosi nel caso dovesse succedere un'altro incidente come nel 2008 (che non dovrebbe succedere se le connessioni vengono messe a posto, ma insomma, non si sa mai).

Lo schema qui sopra (che potete anche scaricare in PDF) riassume bene tutti i passaggi necessari per ottenere i due obiettivi di cui parlavo rima (nuove resistenze, e valvole di sfogo). Ve li traduco, commentando qua e la:

1. Apertura di 1695 connessioni tra magneti, e rimozione delle interconnessioni
2. Ricostruzione completa di 1500 di queste interconnessioni (quelle con la resistenza troppo alta)
3. Consolidamento delle 10170 resistenze di contatto (le splice) che devono supportare 13 kA (l'ampere è l'unita di misura della corrente elettrica, e 13000 A - che sta per ampere - sono un sacco di corrente), installando 27000 ponticelli (gli shunt, che servono a scaricare la corrente nel caso le connessioni dovessero avere dei problemi)
4. Installazione di 5000 sistemi di isolamento elettrico riparati
5. Esecuzione di 300000 misure di resistenza elettrica
6. Esecuzione di 10170 saldature delle linee di connessione in acciaio
7. Esecuzione di 18000 test elettrici di Controllo Qualità
8. Esecuzione di 10170 test di tenuta stagna
9. Sostituzione di 4 magneti quadrupoli
10. sostituzione di 15 magneti dipoli
11. Installazione di 612 valvole di sfogo, per portarne il numero totale a 1344
12. Consolidamento dei circuiti elettrici a 13 kA nelle 16 scatole di alimentazione principali.

Come vedete, c'è molto da fare, e le attività sono già iniziate. Due anni possono sembrare lunghi, ma per una serie di operazione del genere ogni minuto è prezioso.

Al prossimo giro, vi racconto invece che cosa farà ATLAS durante lo stesso periodo, sia con l'analisi dei dati raccolti, che con i lavori di riparazione e miglioramento del rivelatore.