Autori: Fabbri Fabrizio e Giacomelli Giorgio

I protoni di LHC circolano nell'anello concentrati in pacchetti, ben definiti e separati, chiamati "bunches". La struttura a pacchetti è una conseguenza diretta del metodo usato per accelerare le particelle nelle macchine moderne. L'accelerazione, infatti, è effettuata tramite cavità elettromagnetiche che generano un campo elettrico alternato ad altissima frequenza, la cui orientazione quindi si inverte molte volte ogni secondo. I protoni sono accelerati nella direzione del moto solamente quando il campo elettrico all'interno della cavità è orientato lungo quella direzione, e quindi solo in un momento ben preciso del ciclo di accelerazione. In caso contrario il protone viene frenato dal campo elettrico, ed eventualmente perduto. Per ogni ciclo, quindi, c'è un intervallo di tempo durante il quale i protoni nella cavità vengono accelerati, ed un intervallo durante il quale questo non avviene.

Fig. 1: Cavità acceleratrici di LHC

Si genera così la ben nota struttura a pacchetti. In condizioni nominali di funzionamento di LHC la frequenza del ciclo è di 40 MHz, vale a dire che il verso del campo elettrico viene invertito e riportato nel verso originario ogni 25 ns. La separazione temporale fra due pacchetti consecutivi, quindi, è pari a 25 ns e poiché circolano nell'anello ad una velocità prossima a quella della luce la loro separazione spaziale è di circa 7 m. Per ragioni tecniche legate alle operazioni di iniezione e svuotamento dell'anello, esistono anche spaziature maggiori fra raggruppamenti di pacchetti. Ognuno dei due fasci di protoni é formato da 2808 pacchetti e ciascuno di questi è costituito da circa 10¹¹ protoni. Mentre circolano all'interno dell'anello a vuoto di LHC le dimensioni dei bunches non sono costanti, ma vengono fatte variare a seconda che questi siano vicini o distanti dalle zone nelle quali vengono fatti collidere. In ognuna di queste zone i pacchetti entrano in collisione circa 30 milioni di volte al secondo. Essi hanno una lunghezza di pochi centimetri ed uno spessore di circa 1 mm quando si trovano lontano dalle zone di collisione, mentre in prossimità di queste vengono "strizzati" tramite appositi magneti e il loro spessore si riduce a 16 micron. Per confronto si pensi che un normale capello ha uno spessore di circa 50 micron. Questa operazione (detta di "squeezing") viene effettuata per aumentare la luminosità del collisionatore, per aumentare cioè la probabilità che avvenga una collisione fra protoni. Un altro modo per aumentare la luminosità è quello di fare circolare un gran numero di pacchetti nel fascio, ma 2808 è il massimo consentito per LHC, oppure di aumentare il numero di protoni in ogni pacchetto, ma 2x10¹¹ è un limite per ora non facilmente superabile. Ogni singolo protone del fascio può essere accelerato ad una energia massima di 7 TeV, pari cioè a circa 1.1 x 10^-6 Joule. L'energia di 1 TeV è grosso modo l'energia cinetica posseduta da una zanzara in volo e può sembrare molto piccola. In realtà si deve considerare che LHC è in grado di concentrare questa energia in un oggetto (il protone) che è un milione di milioni di volte più piccolo di una zanzara. Se si pensa poi al fatto che nell'anello, a pieno regime, circoleranno 2808 pacchetti ognuno dei quali costituito da circa 10¹¹ protoni, si scopre che ognuno dei due fasci circolanti in verso opposto all'interno del tubo a vuoto di LHC possiede una energia cinetica totale pari a 2808 x 10¹¹ x 1.1 x 10^-6 Joule = 310 MJoule. In altri termini, LHC riesce ad imprimere ad una quantità di materia pari a circa mezzo miliardesimo di grammo, cioè la massa totale dei protoni che compongono il fascio, la stessa energia cinetica che possiede un treno da 400 Tonnellate lanciato alla velocità di 150 Km/h.