Autori: Fabbri Fabrizio e Giacomelli Giorgio

Il tunnel nel quale è alloggiato LHC non è un cerchio perfetto, ma è costituito da otto archi intervallati da sezioni rettilinee. Per poter mantenere le particelle all'interno del collisionatore durante la fase di iniezione e di accelerazione, sono necessari 9600 magneti di vario tipo, fra i quali dipoli, quadrupoli, sestupoli, ottupoli, decapoli.

I magneti dipolari hanno la funzione di fare curvare la traiettoria delle particelle affinché queste restino confinate lungo una linea chiusa, mentre gli altri tipi contribuiscono ad ottimizzare la traiettoria all'interno dell'acceleratore. Una particella elettricamente carica che, con una certa velocità, attraversa le linee del campo magnetico generato da un dipolo sente una forza che la fa deviare (forza di Lorentz). Questa forza agisce perpendicolarmente alla direzione del moto ed alla direzione delle linee di campo, per cui disponendo tanti magneti dipolari lungo una circonferenza è possibile, a forza di piccole deviazioni, fare compiere alle particelle un'orbita chiusa. La forza di Lorentz ha verso opposto per cariche elettriche di segno opposto, fa cioè deviare le particelle con carica positiva da una parte e quelle negative dalla parte opposta. Inoltre, il verso della forza si inverte se la particella attraversa il campo magnetico provenendo dalla direzione opposta. Non è possibile, quindi, mantenere su una stessa traiettoria circolare particelle con carica elettrica dello stesso segno che provengono da direzioni opposte, come avviene in un collasionatore. Poiché in LHC devono circolare in senso opposto protoni/nuclei che hanno carica elettrica positiva, è necessario avere magneti dipolari con un campo magnetico come quello mostrato in Fig. 1, cioè con due polarità opposte. I protoni/nuclei sono tenuti in due tubi a vuoto separati, uno per le particelle che circolano in un senso, nel quale il campo magnetico ha una polarità, l'altro per le particelle che circolano in senso opposto, nel quale il campo magnetico ha polarità opposta. Questo fa si che la forza di Lorentz sia in grado di mantenere all'interno della stessa circonferenza particelle con carica dello stesso segno ma provenienti da direzioni opposte.  

Fig. 1: A sinistra le linee di campo magnetico della sezione trasversale di un dipolo. A destra figura schematica di un dipolo di LHC

La forza necessaria per mantenere una particella su un'orbita circolare di raggio dato aumenta con la velocità della particella, e quindi con la sua energia. Tanto maggiore è l'energia, tanto maggiore deve essere la forza esercitata dal magnete per deviarla. Durante la fase di accelerazione l'energia delle particelle viene aumentata gradatamente ad ogni giro e, di conseguenza, anche il campo magnetico dei dipoli deve essere aumentato ad ogni giro. Questo lo si ottiene aumentando la corrente elettrica che circola nelle bobine superconduttrici dei magneti. In ultima analisi, l'energia massima che si può imprimere ad un protone che circola nell'anello di 27 Km di LHC dipende dalla intensità massima che può raggiungere il campo magnetico generato dai dipoli. Si tratta quindi di un limite tecnologico, legato alla corrente elettrica massima che può sopportare il magnete superconduttore. I magneti dipolari hanno rappresentato la sfida tecnologica più importante nella progettazione di LHC. Sono elettromagneti superconduttori in grado di produrre un campo magnetico di intensità massima pari a 8.3 Tesla (circa 200000 volte più intenso del campo magnetico terrestre). Questa intensità consente di accelerare protoni fino ad una energia massima di 7 TeV. Il sistema di accelerazione potrebbe imprimere loro una energia superiore, ma i magneti dipolari non sarebbero in grado di deviare i protoni a sufficienza per farli rimanere all'interno dell'anello. In LHC ci sono 1232 dipoli disposti lungo gli otto archi che costituiscono l'anello. Nelle sezioni rettilinee non c'è bisogno di dipoli e i due tubi a vuoto distinti che si trovano al loro interno vengono uniti per formarne uno unico. I fasci vengono mantenuti spazialmente separati tranne che nelle zone sperimentali dove, tramite appositi magneti, vengono deviati e fatti collidere.

Fig. 2: I fasci vengono fatti intersecare con l'ausilio di magneti deflettori

Le bobine superconduttrici dei dipoli sono formate da trecce di fili sottilissimi in Niobio-Titanio (NbTi). Ogni filo ha una sezione di 7 micron, pari a circa un decimo di quella di un normale capello umano, e per costruire i dipoli di LHC l'industria ha prodotto una quantità di filo superconduttore senza precedenti: se si sommassero le lunghezze di tutti i singoli fili contenuti nelle trecce dei dipoli si coprirebbe una distanza pari a circa 11.5 volte la distanza Terra-Sole. I fili diventano superconduttori al disotto di una temperatura di 10 K (-263.2 C), e quanto più è bassa la temperatura tanto maggiore è la corrente che in essi può circolare. Quelli di LHC si trovano ad una temperatura estremamente bassa, pari a 1.9 K (-271.3 C), inferiore perfino a quella di 2.7 K (-270.5 C) esistente nello spazio siderale. Questo è il motivo per il quale si dice che LHC è uno dei luoghi più freddi dell'universo. Una tale temperatura è ottenuta pompando elio superfluido nel circuito magnetico. Nelle spire superconduttrici dei dipoli di LHC circola una corrente elettrica che può raggiungere quasi 12000 A. A pieno regime, cioè quando i fasci di protoni in LHC raggiungeranno la massima intensità e la massima energia, verrà esercitata una forza meccanica impressionante sul sistema magnetico della macchina (forza centrifuga), circa 26 tonnellate. Durante il funzionamento dell'acceleratore, i magneti saranno continuamente sottoposti a questa forza che tende a spostarli e di questo si è dovuto tenere conto in fase di progettazione. Questo fatto è ancor più impressionante se si pensa che la forza è generata da una massa circolante totale di circa 1 miliardesimo di grammo. Tale è infatti la somma delle masse dei protoni che circoleranno nell'anello quando si raggiungerà la massima intensità.

Tutti gli altri magneti hanno la funzione di mantenere il più possibile stabili i fasci circolanti. I quadrupoli, per esempio, hanno la funzione di focheggiare verso l'orbita ideale i pacchetti di particelle che, nel tempo, tendono a disperdersi. Una dispersione rispetto all'orbita ideale ha come risultato quello di perdere le particelle. Fra gli effetti da considerare e correggere c'è anche quello dovuto alla caduta per gravità delle particelle. I singoli protoni, infatti, mentre percorrono l'anello ad una velocità prossima a quella della luce cadono come tutti i corpi materiali, e i magneti multipolari con la loro azione evitano che questi si allontanino troppo dall'orbita ideale per effetto della gravità.