Cosa hanno in comune maree, piogge, treni ad alta velocità, e un acceleratore di particelle

Fattori inaspettati nella calibrazione dell'energia dei fasci di un acceleratore.

Il LEP, Large Electron-Positron Collider, è stato un acceleratore del Cern, funzionante dal 1989 al 2000. Esso accelerava in direzioni opposte, lungo una traiettoria circolare lunga 27 chilometri, elettroni e positroni (questi ultimi sono le antiparticelle degli elettroni) e le faceva collidere in 4 punti lungo il percorso.

Quattro apparati sperimentali, ALEPH, DELPHI, L3 e OPAL, circondavano i 4 punti dove avvenivano le collisioni, e registravano gli eventi fisici. I risultati scientifici del progetto LEP hanno prodotto nuove misure di altissima precisione sui parametri del Modello Standard delle particelle elementari, oltre alla previsione della massa del quark top prima della sua scoperta diretta. Io ho avuto la fortuna di partecipare all'intero progetto lavorando in uno dei quattro esperimenti, dalla costruzione, durante la tesi di laurea, fino alla fine.

Per il tipo di misure che dovevano essere condotte al LEP, era di fondamentale importanza conoscere al meglio il valore dell'energia a cui collidevano i fasci di elettroni e positroni, con una precisione di 1 MeV, corrispondente allo 0.001% dell'energia dei fasci.  Per raggiungere questo scopo erano utilizzate varie tecniche sofisticate, al fine di minimizzare le incertezze sperimentali. Tuttavia i fisici sono ben consci dell'esistenza degli errori sistematici, ovvero quei fattori a volte non sotto controllo, o a volte completamente sconosciuti, che possono alterare il risultato di una misura in modo non noto o controllabile.

Alcuni di questi fattori, assolutamente imprevisti, si rivelarono molto importanti, e qui voglio raccontare la loro curiosa storia, e come furono individuati.

La misura dell'energia dei fasci di particelle si basa sulla precisa conoscenza della lunghezza del percorso delle particelle nell'acceleratore, quella che a grandi linee potremmo chiamare la circonferenza dell'acceleratore. Questa grandezza era nota con grande precisione, essendo stata misurata dal personale tecnico con accuratezza. 

Eppure c'era qualcosa che non tornava. L'energia misurata dei fasci di particelle sembrava variare nel tempo, di una quantità ben superiore a 1 MeV, con dei pattern strani, e dipendenti dal tempo. Questi pattern così periodici fecero pensare alle maree.

Variazione dell'energia dei fasci del LEP in funzione dell'ora del giorno.

Le maree, oltre a spostare gli oceani, hanno anche l'effetto di distorcere la crosta terrestre, e nel nostro caso di modificare, seppure di pochissimo, la forma dell'acceleratore, e quindi l'orbita delle particelle rispetto alla traiettoria stabilita. Questo fa sì che le particelle circolanti si trovino a seguire una traiettoria che differisce, sebbene di pochissimo, da quella prevista. Tutto ciò implica che l'energia che essi acquisiranno passando attraverso le cavità acceleratrici e i magneti deflettori, non sarà esattamente quella prevista dal progetto, ma cambierà nel tempo al cambiare dell'intensità della forza mareale. Questo effetto, alla luce delle misure, risulta essere 6 volte più grande del massimo errore tollerabile, ma può essere fortunatamente corretto conoscendo la posizione della luna ora per ora. Vedi questo articolo per maggiori dettagli, e se volete leggere un interessante e divertente resoconto di come questo effetto abbia impatto sull'acceleratore LHC del Cern, (è sempre lo stesso tunnel) lo trovate qui.

Altre piccole ma comunque rilevanti variazioni della traiettoria delle particelle nel LEP, che alla fine si traducono sempre in una incertezza nell'energia dei fasci di particelle circolanti, si scoprirono essere causate dalle variazioni del livello del Lago d Ginevra, e del livello della acque del sottosuolo, a causa delle piogge. L'aumento di peso del lago e dell'acqua nelle faglie, infatti, altera impercettibilmente la configurazione della crosta terrestre a livello locale, inclinandola dalla parte del lago, e causando piccole ma significative distorsioni alla forma dell'acceleratore, fino a 2 millimetri sulla lunghezza della traiettoria percorsa dalle particelle in un giro, con conseguente effetto sull'energia delle particelle lungo la loro traiettoria. Per verificare questa ipotesi, il Cern riuscì ad ottenere che le autorità svizzere effettuassero un test che consisteva nel diminuire il livello del lago agendo sulle chiuse. Mentre questo avveniva, le misure indicarono una corrispondente variazione dell'energia dei fasci di particelle: più verifica diretta di questa!

 

Variazione della lunghezza della circonferenza del LEP, stimata dalle variazioni sull'energia dei fasci, causate dalle differenze di livello delle acque nel Lago di Ginevra.

E infine l'effetto più curioso e imprevedibile: l'effetto TGV, Train à Grande Vitesse, il treno francese ad alta velocità che va da Ginevra a Parigi, e che passa per un breve tratto nelle vicinanze del Cern. Verso il 1994 i fisici del Cern, effettuando i periodici run di calibrazione dell'energia dei fasci, cominciarono ad osservare strane variazioni nell'energia dei fasci del Lep, variazioni che seguivano uno schema strano ma costante ogni giorno. Il fenomeno iniziava poco prima dell'alba, diventava massimo durante il giorno, e smetteva la sera, in modo molto simile tutti i giorni. Nonostante le varie ipotesi, l'origine del fenomeno restava un mistero, finché un ingegnere della compagnia di elettricità svizzera ipotizzò che potesse trattarsi di una interferenza fra la linea ad alta velocità per Parigi e il tubo dell'acceleratore, dato che entrambi, per un  certo tratto, viaggiano quasi paralleli a circa 1 Km di distanza reciproca.

L'idea è che la corrente che fa andare il TGV viaggi attraverso i cavi, e ritorni al generatore attraverso i binari. Ma i binari sono collegati a terra, dove la corrente fluisce. Questa corrente, però, pur trovandosi a terra, come tutte le correnti cerca il miglior conduttore disponibile nelle vicinanze per poter fluire come tutte le correnti vorrebbero, con il minimo possibile di resistenza. E se lo trova, ci si infila di corsa. E guarda caso lì vicino c'era proprio il tubo di alluminio dell'acceleratore LEP.

Il confronto fra le variazioni di energia dei fasci misurata al LEP in funzione del tempo e la variazione di corrente del TGV ha mostrato un accordo praticamente perfetto, tanto da poter dire in tempo reale se il treno per Parigi era in orario. Con Trenitalia scoprire l'inghippo sarebbe stato molto più complesso, visto che ogni giorno i treni hanno un ritardo diverso. Per ulteriori dettagli, leggere ad esempio questo articolo.

L'effetto TGV sull'energia dei fasci del LEP.

La cosa curiosa è come mai ci si accorse di questo effetto soltanto dopo diversi anni di funzionamento del LEP. Il motivo è che, precedentemente, tutte le misure di calibrazione di energia dei fasci venivano fatte di notte, quando il TGV non circola. Escluso una volta, in realtà, in cui le misure vennero fatte di giorno. Ma il caso volle che quel giorno le ferrovie francesi fossero in sciopero.

Prossimamente altre curiosità sul LEP. Stay Tuned!