In che modo il CERN sincronizza i dispositivi di cronometraggio?

Il collisore Large Hadron misura 17 miglia (27 chilometri) di circonferenza. È il più grande acceleratore di particelle al mondo e la sua costruzione è costata più di 10 miliardi di dollari. Ma è solo uno dei tanti straordinari pezzi di tecnologia che gli scienziati del CERN usano nelle loro ricerche di fisica. Il CERN gestisce una serie di acceleratori lineari e circolari e altre installazioni, come un separatore di massa e un deceleratore di antiprotoni, per condurre ricerche di fisica. In alcuni casi, i test al CERN vengono condotti su grandi distanze: i neutrini vengono regolarmente trasmessi dal CERN al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (LNGS) italiano a 450 miglia (724 chilometri) di distanza.

Quando gli acceleratori di particelle irradiano materia su grandi distanze alla velocità della luce, devono naturalmente essere cronometrati con una precisione quasi perfetta. Nonostante la distanza sopra menzionata, la velocità di quei neutrini potrebbe essere misurata entro 10 nanosecondi. Come fa il CERN a gestire questo tipo di precisione? Usano GPS, orologi atomici e un sacco di cavi ottici per collegare in rete una vasta gamma di tecnologie.

Gli scienziati del CERN hanno scritto documenti dettagliati e complessi che spiegano il funzionamento interno dei loro sistemi di temporizzazione. Le frequenze del segnale, i sistemi di misurazione e le equazioni di precisione sono solo alcuni degli elementi nei rapporti del CERN che gli scienziati mangiano e il resto di noi corruga le sopracciglia, incluso uno che descrive in dettaglio la calibrazione del collegamento temporale GPS tra CERN e LNGS .

Ecco la versione breve: quando misurano la velocità dei neutrini che viaggiano dal CERN al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (LNGS), gli scienziati devono sincronizzare con precisione i loro strumenti. Quindi, le misurazioni GPS di un impulso al secondo (PPS) sono contrassegnate dall'ora con un sistema di misurazione chiamato CTRI, che si basa sull'orologio atomico collegato a entrambi i laboratori ed è accoppiato a un sistema GPS. Tali timestamp possono quindi essere confrontati tra le due posizioni e la differenza di tempo rivela il tempo di volo dei neutrini. Sembra abbastanza semplice, vero?

Bene, le configurazioni richiedono ancora tutti i tipi di test per garantire l'accuratezza e le equazioni per tenere conto degli inevitabili margini di errore. I ricevitori utilizzati dal CERN nella comunicazione con LNGS sono certificati dall'Ufficio federale di metrologia . Poiché hanno a che fare con numeri così precisi, anche la posizione di un'antenna e i cavi utilizzati possono alterare i risultati.

Il Large Hadron Collider utilizza una tecnologia chiamata WorldFIP per sincronizzare i sistemi entro 10 nanosecondi. WorldFIP è un bus di campo, una tecnologia utilizzata per collegare in rete un gran numero di sistemi, qualcosa di cui ovviamente l'LHC ha bisogno. Come i sistemi di cronometraggio utilizzati per coordinare il tracciamento dei neutrini tra il CERN e il LNGS, WorldFIP è collegato a un sistema GPS. I dati da quel sistema vengono trasmessi alle apparecchiature attraverso il Large Hadron Collider per mantenere tutto sincronizzato con l'ora universale.

Con un master clock basato su oscillatore, il CERN può fornire alle sue apparecchiature dati temporali con una precisione di un nanosecondo. Uno dei compiti più impegnativi del sistema WorldFIP è mantenere sincronizzati 1.800 convertitori di potenza entro un millisecondo. Serve anche per sincronizzare il monitoraggio delle radiazioni, il posizionamento dei magneti, la criogenia e altri sistemi presso l'LHC.

Naturalmente, non tutti i sistemi del Large Hadron Collider devono essere così accurati. Alcuni hanno uno spazio di manovra di decine o addirittura centinaia di millisecondi. Considerando che l'installazione è così enorme e ricca di alcune delle tecnologie più complesse al mondo, è comunque piuttosto impressionante.

Ops!

Quando il CERN ha annunciato nel settembre 2011 che potrebbe aver trovato prove di neutrini che si muovono più velocemente della velocità della luce, ha scosso il mondo scientifico e ha dato il via a una raffica di discussioni teoriche "e se". Ulteriori indagini e test duplicati hanno rivelato due meccanismi difettosi che hanno reso inconsistenti i risultati iniziali: un componente malfunzionante nel sistema GPS e un circuito in fibra ottica difettoso. Vinci ancora, velocità della luce!

I sistemi di cronometraggio del CERN sono una delle cose più complesse per cui ho ricercato. Ciò è in parte dovuto al fatto che non esiste un unico sistema al lavoro in tutti i numerosi acceleratori di particelle del CERN - installazioni diverse hanno requisiti diversi - e la precisione dei sistemi di temporizzazione si riduce al nanosecondo. La sorpresa più grande: anche la più piccola regolazione di un'antenna può influire sulla sincronizzazione dei dispositivi di cronometraggio.

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