Autori: Fabbri Fabrizio e Giacomelli Giorgio

Il CERN possiede un complesso sistema di acceleratori di energia crescente che, utilizzati in cascata, sono in grado di produrre fasci di particelle di energia estremamente elevata. Ogni macchina inietta il proprio fascio nella macchina successiva che, a sua volta, lo accelera ad una energia superiore. L'ultimo elemento di questa catena è LHC, nel quale ognuno dei due fasci circolanti, iniettati in senso opposto, può essere accelerato fino ad una energia di 7 TeV. La maggior parte degli acceleratori del sistema, inoltre, è dotata di una propria area sperimentale dove i fasci possono essere estratti ed usati per effettuare esperimenti ad energie inferiori. Ecco brevemente la storia di un protone che attraversa il sistema (Fig.1)

Fig. 1: Il complesso di acceleratori del CERN

Si parte da gas idrogeno atomico, proveniente da una piccola bombola, al quale vengono strappati gli elettroni . Ciò che rimane sono nuclei di idrogeno, cioè protoni, che vengono iniettati sotto forma di pacchetti (bunches) in un acceleratore lineare che li porta ad una energia di 50 MeV. Questi protoni vengono poi iniettati in un piccolo protosincrotrone, il PS Booster (PSB), che li accumula su quattro anelli distinti sovrapposti e li accelera fino a 1.4 GeV. Il fascio viene quindi trasferito nel ProtoSincrotrone (PS) che lo porta a 25 GeV di energia per poi iniettarlo a sua volta nel Super ProtoSincrotrone (SPS), dove sarà accelerato fino a raggiungere i 450 GeV. A questo punto il fascio viene iniettato nel LHC. Il ciclo appena descritto viene ripetuto molte volte per accumulare più protoni possibile nei due anelli che lo costituiscono. L'operazione di riempimento richiede 4' 20'' per ognuno dei due anelli. Una volta che i due anelli contenenti i fasci di protoni circolanti in senso opposto sono riempiti, occorrono circa 20' per portare l'energia dei fasci al valore massimo di 7 TeV. L'accelerazione dei due fasci avviene simultaneamente e le particelle, per il momento, non entrano in collisione. Al termine di questa fase i fasci vengono fatti intersecare in corrispondenza delle quattro zone sperimentali con l'ausilio di appositi magneti deflettori. In condizioni normali i protoni possono circolare nei tubi a vuoto di LHC per diverse ore, consentendo agli esperimenti di raccogliere dati per lunghi periodi di tempo.

Fig. 2: Preparazione della sorgente per creare gli ioni piombo da iniettare nel Linac 3

Oltre ai protoni, questo sistema può accelerare anche nuclei di piombo. Un campione altamente purificato di questo metallo viene riscaldato ad una temperatura di circa 500 gradi centigradi e il vapore che si ottiene viene fatto attraversare da una corrente elettrica. Una parte degli 82 elettroni che formano gli atomi di piombo viene strappata e gli atomi ionizzati vengono pre-accelerati (Linac 3) e fatti passare attraverso un foglio di grafite. In questo passaggio molti altri elettroni vengono strappati dall'atomo che, di conseguenza, acquisisce una carica elettrica positiva ancora maggiore (tipicamente 54+). Gli atomi di piombo ionizzati (Pb₅₄⁺) vengono poi accumulati nel Low Energy Ion Ring (LEIR) che li trasferisce al PS. Qui vengono ulteriormente accelerati a 5.9 GeV/nucleone, fatti passare attraverso un secondo foglio di grafite che strappa tutti gli elettroni rimasti e, infine, iniettati nel SPS. A questo punto i nuclei di piombo vengono accelerati fino a 177 GeV/nucleone ed iniettati in LHC che li porterà a 2.76 TeV/nucleone.