0298. Cosa sono gli acceleratori di particelle?

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Cosa sono gli acceleratori di particelle? (Flavia Fusco) (2138)

 

sem_esperto_verdeGli acceleratori di particelle sono macchine tecnologicamente complesse che accelerano particelle microscopiche tramite l’interazione della carica icona_glossario elettrica con campi elettromagnetici icona_glossario statici e dinamici. E’ la realizzazione tecnica di questa interazione che differenzia i vari tipi di acceleratori. Gli acceleratori hanno numerose applicazioni: all’inizio sono stati sviluppati essenzialmente per essere usati come “microscopi” [25] per studiare la materia e le interazioni fondamentali della materia (in particolare i collisori particella-antiparticella ), in seguito si sono rivelati utili sia per applicazioni tecnologiche (gli anelli per luce di sincrotrone - detta anche radiazione di sincrotrone icona_glossario icona_esperto[25] , per lo studio della biologia, fisica dei materiali, elettronica) che per applicazioni mediche (terapie oncologiche, diagnosi). Diverse sono le particelle che vengono accelerate: i “leggeri” elettroni icona_glossario (con le loro “antiparticelle” faq1 i positroni icona_glossario ), usati come “sonde”, o i “pesanti” protoni icona_glossario (con le “antiparticelle” anti-protroni), ma anche ioni. I principi base con cui vengono accelerate particelle di diverse specie non dipendono dalla loro natura (elettroni, protoni, ioni), ma è l’energia necessaria per accelerarle che cambia in funzione della loro massa icona_esperto[101] faq2. Gli acceleratori si dividono essenzialmente in due categorie: gli acceleratori “lineari” icona_glossario icona_linkesterno icona_miniapprofondimento  , che accelerano le particelle in un singolo passaggio, e gli acceleratori “circolari” icona_miniapprofondimento) che ricircolano le particelle per molti giri. Esempi dei primi sono il generatore di Van der Graaf, il generatore Cockroft-Walton, il Linac. Esempi dei secondi, il ciclotrone icona_glossario – fu il primo acceleratore non lineare ad essere costruito dal fisico Lawrence icona_biografia nel 1930 - il betatrone icona_glossario, il microtrone icona_glossario. Tra questi ultimi, particolare importanza hanno gli “anelli di accumulazione”, inventati da Bruno Touschek icona_biografia nei Laboratori Nazionali di Frascati icona_linkesterno negli anni ’60. La differenza principale tra le due categorie è che nella prima le particelle vengono accelerate da una differenza di potenziale elettrostatico o da campi elettrici oscillanti, mentre i secondi sfruttano anche campi magnetici trasversi. Si può sintetizzare questo concetto dicendo che il moto delle particelle cariche in un acceleratore è determinato dalla forza di Lorentz – così chiamata dal nome del fisico olandese Hendrik Antoon Lorentz icona_biografia vincitore del premio Nobel per la Fisica del 1902. La forza di Lorentz è descritta matematicamente dalla formula:

ScienzaPerTutti_lorenzt_forze

Formula di Lorentz

dove E rappresenta il campo elettrico (se presente), q la carica della particella, v la sua velocità e B il campo magnetico (se presente).

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Una particella in campo magnetico segue una traiettoria elicoidale

Dopo l’accelerazione il fascio di particelle può essere diretto contro un bersaglio . Esperimenti a bersaglio fisso sono utilizzati per studiare le interazioni con la materia ad alta energia, per studi di fisica dei nuclei e delle particelle elementari. Diverso è il caso per gli anelli di accumulazione o “collisori” in cui due fasci di segno opposto (particella e antiparticella) circolano in versi opposti e vengono fatti incontrare in uno o più punti. Questo è possibile perchè per la natura dei campi elettromagnetici particella e antiparticella con opposte velocità seguono – avendo cariche opposte - la stessa traiettoria (vedi la formula di Lorentz) ma in verso opposto.

ScienzaPerTutti_12autobus_materiantimateriaPoster del progetto “Fisica in autobus”  icona_linkesterno
per il WYP2005 icona_wy2005 dedicato alla annichilazione materia-antimateria

 Le collisioni tra particelle e antiparticelle si chiamato “annichilazione”, e tutta l’energia posseduta dalle due particelle iniziali si tramuta in altre particelle, che vengono raccolte e studiate da appositi “rivelatori” [25]. La novità di questo schema è che si ha a disposizione, per la produzione di altre particelle, un’energia nel centro di massa doppia rispetto a quella di ogni singolo fascio, mentre nel caso a targhetta fissa soltanto una piccola frazione dell’energia del fascio viene utilizzata nella produzione di materia ed il resto va nel moto del baricentro. Lo studio della fisica del fasci accelerati icona_miniapprofondimento è un settore della fisica di grande importanza essendo le macchine acceleratici gli “strumenti” indispensabili alle ricerche nel campo della fisica sub-nucleare e non solo icona_miniapprofondimento. Per realizzare, controllare e mantenere in funzione le moderne macchine acceleratici vengono sviluppate tecnologie avanzate icona_miniapprofondimento che trovano utilizzazione anche in altri campi. A Frascati nei Laboratori dell' INFN icona_linkesterno a partire dalla costruzione di ADA si è sviluppata una scuola di fisici dedicati allo sviluppo delle macchine acceleratici tra le più prestigiose. Attualmente, la macchina di maggior energia dei fasci al mondo è il collisionatore adronico LHC che ha, tra le innumerevoli misure e scoperte, rivelato il bosone di Higgs . Attualmente, per i collisori elettrone-positrone, un limite fisico è rappresentato dall’energia massima raggiungibile. Infatti a causa dell’emissione di radiazione di sincrotrone , che aumenta con l’energia del fascio alla quarta potenza (se l’energia aumenta di un fattore dieci la radiazione di sincrotrone emessa aumenta di un fattore diecimila!), diventa molto costoso e complicato aumentare l’energia disponibile oltre un certo livello. Per superare questo limite si è pensato alla collisione di due Linac affacciati in direzione opposta (collisori lineari). Ovviamente per raggiungere le energie desiderate (da 500 GeV icona_glossario a 1 TeV icona_glossario nel centro di massa) queste macchine devono avere una lunghezza di molti Km (30-40) ed usare tecnologie avanzate per le cavità acceleranti. Questa impresa è comunque troppo elaborata e costosa per una sola nazione, si è perciò creata una collaborazione internazionale in cui Europa, Asia e Stati Uniti si sono uniti nella ricerca della migliore tecnologia e del miglior disegno per l’International Linear Collider icona_linkesterno, attualmente in fase di studio.

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Disegno artistico ( SLAC icona_linkesterno) del ILC

“Quali sono le applicazioni degli acceleratori di particelle ?” ci chiede la nostra web-nauta. Ovviamente l’utilizzo principale degli acceleratori di particelle è quello dello studio sperimentale delle leggi fondamentali della fisica dei nuclei e delle particelle elementari, per le quali sono necessarie energie sempre più alte. Acceleratori di dimensioni ed energie più contenute hanno trovato invece ampia applicazione in vari campi scientifici e tecnologici. Gli acceleratori lineari si usano tra l’altro per la produzione di luce coerente (laser ad elettroni liberi) e per diagnosi e terapie mediche. Vari tipi di acceleratori sono anche utilizzati nelle cure mediche . Gli acceleratori circolari vengono utilizzati come produttori di luce (radiazione) di sincrotrone. La radiazione di sincrotrone infatti, la cui lunghezza d’onda dipende dall’energia del fascio, è altamente collimata, molto intensa e perciò molto interessante per tutte le applicazioni di ricerca di base, biologia, medicina, tecnologia. E’ da notare che lo studio della fisica degli acceleratori è un campo in pieno sviluppo e, quanto più sofisticato e tecnologicamente avanzato diventa il disegno di un acceleratore, tanto diverse e nuove applicazioni, impossibili anche pochi anni fa, possono nascere.

Marica Biagini – Fisico


 

 

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