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Due fasci di protoni con un’energia di 450 GeV saranno immessi in LHC dal sistema di acceleratori usati in passato al CERN (PS, SPS, etc.) e sono poi accelerati fino a 7 TeV. Per mantenere sulle traiettorie circolari prestabilite fasci di protoni di questa energia sono usati circa 9600 magneti di vario tipo e con diversa funzione. Tra questi ci sono 1238 grandi magnetici dipolari superconduttori, lunghi ognuno 15 m, con un campo magnetico di 8 Tesla. In LHC i protoni sono raggruppati in 2808 pacchetti, lunghi qualche centimetro e con un diametro di circa 20 μm, cioè le dimensioni di un capello, ognuno contenente 100 miliardi di protoni. Nei quattro punti di collisione, gli incroci tra i pacchetti di protoni avvengono ogni 25 ns e in ogni incrocio si avranno in media 40 collisioni protone-protone sovrapposte con circa 100 particelle prodotte in ciascuna collisione.

LHC dall’inizio al 2013

I primi fasci di protoni soso stati fatti circolare nelle due direzioni in LHC il 10 Settembre 2008 all’energia di 450 GeV. Pochi giorni dopo, il 19 Settembre 2008 nel tunnel di LHC a causa di una connessione difettosa si è verificato un corto circuito con un arco voltaico che ha danneggiato il contenitore criogenico. La rapida fuoriuscita di circa 2 tonnellate di elio liquido, con un’espansione esplosiva, seguita da un’ulterione perdita di 4 tonnellate di elio, ha danneggiato una sezione dell’acceleratore con 53 grandi magneti superconduttori.

Nonostante l’incidente il 21 Ottobre del 2008 LHC è stato ufficialmente inagurato. Per quasi tutto il 2009 sono poi proseguiti i lavori di riparazione di LHC con la sostituzione o riparazione dei 53 grandi magneti superconduttori. L’acceleratore ha ripreso a funzionare alla fine di Novembre. Inizialmente si sono avute collisioni all’energia di iniezione dei fasci con 450 GeV/beam e infine il 30 Novembre i due fasci di protoni sono stati accelerati fino a 1.18 TeV osservando poi le collisioni a questa nuova energia, la più alta raggiunta in una macchina acceleratrice dopo le collisioni a 0.98 TeV/fascio realizzate in precedenza al Fermilab (Chicago).

All’inizio del 2010 sono riprese le attività della macchina con un progressivo aumento di energia dei fasci. Le prime collisioni a 7 TeV nel c.m. ci sono state a fine Marzo 2010 e la presa dati è continuata alla stessa energia fino all’inizio di Novembre. Dopodiché per il resto dell’anno c’è stato un run di collisioni tra ioni Pb-Pb con un’energia di 1.38 TeV per nucleone in ciascun fascio.

Figura 2: L’interno del tunnel di LHC con in primo piano i grandi dipoli magnetici all’interno dei contenitori criogenici

La presa dati a 7 TeV nel c.m. è ricominciata nel Marzo 2011 continuando fino a fine Ottobre con una luminosità crescente (4.67×10³² cm^-2s^-1 ad Aprile) raccogliendo una luminosità integrata di circa 5 fb^-1. I dati raccolti hanno permesso di osservare nella regione di massa intorno a 124-125 GeV un primo eccesso di eventi, confrontabile con le fluttuazioni del fondo ma anche compatibile col segnale aspettato per la particella di Higgs. A fine 2011 c’è stato un secondo run con collisioni tra ioni Pb-Pb.

A Marzo 2012 LHC ha ripreso a funzionare come collider protone-protone a 4+4 TeV con una luminosità di 3.9×10³³ cm^-2s^-1 e 1380 pacchetti (bunches) di protoni per beam. La luminosità integrata totale (15 fb^-1 a 8 TeV nel 2012 e 5 fb^-1 a 7 TeV nel 2011) ha permesso di annunciare il 4 Luglio l’osservazione di un chiaro segnale del bosone di Higgs con una massa di circa 125 GeV. La presa dati è continuata fino al Novembre 2012 raggiungendo una luminosità istantanea di 7.5 x 10³³ cm^-2s^-1 e una luminosità integrata a 8 TeV pari a 21 fb^-1. Successivamente per il resto dell’anno LHC ha funzionato ancora come collider ione-ione.

Figura 3: Luminosità integrata in funzione del tempo durante il 2011 a 7 TeV  nel centro di massa, e nel 2012 a 8 TeV.
In verde la luminosità fornita da LHC, in giallo la luminosità con ATLAS in presa dati.

Con la fine del 2012 è terminato il primo periodo di funzionamento (RUN 1) di LHC  ed è iniziato il primo lungo periodo di interruzione LS1 (Long Shutdown 1) durante il quale saranno apportate varie modifiche all’acceleratore e agli esperimenti. LHC riprenderà a funzionare nell’Aprile del 2015 per iniziare il suo secondo periodo di attività (RUN 2) quando ciascun fascio sarà accelerato fino a 7 TeV raggiungendo una nuova frontiera di energia e la luminosità istantanea dovrebbe raggiungere 1.5 x 10³⁴ cm^-2s^-1 con un intervallo di 25 ns tra due incroci  dei fasci (beam crossing) nei punti di interazione e con un pile-up di circa 40 eventi. Il RUN 2 terminerà a fine 2017. Nel successivo periodo di interruzione del funzionamento LS2 (Long Shutdown 2) si avrà la Fase 1 degli upgrade degli esperimenti e dell’acceeratore. Il LS2 terminerà all’inizio del 2018, quando inizierà il terzo periodo di funzionamento (RUN 3) e la presa dati che proseguirà fino al 2021. Nel RUN 3 la luminosità dovrebbe aumentare a 1.7 – 2.2 x 10³⁴ cm^-2s^-1 con un pile-up di circa 60 eventi per beam-crossing. Il RUN 3, terminerà a fine 2021 quando inizierà il LS3 di due anni durante il quale la macchina e gli esperimenti saranno modificati per essere in grado di funzionare a partire dal 2023 nella fase successiva HL-LHC (High Luminosity LHC) con una luminosità alta pari a 5-10 volte quella nominale iniziale di 10³⁴ cm^-2s^-1 .

Per maggiori informazioni sul collisore LHC si vedano gli articoli e i siti divulgativi suggeriti nelle pagine del nostro sito ed in particolare l’opuscoloCERN faq – LHC the guide, opuscolo (presto anche in italiano) scaricabile da rete:

http://cds.cern.ch/record/1165534/files/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf (inglese)

http://cds.cern.ch/record/1164451/files/CERN-Brochure-2009-003-Fre.pdf (francese)

By Atla Italia