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0441. Le particelle negli acceleratori

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Negli acceleratori di particelle vengono di solito utilizzati fasci di protoni/antiprotoni (acceleratori circolari), o fasci di elettroni/ positroni (acceleratori lineari). Come mai solo questi tipi di particelle vengono presi in considerazione e non per esempio i neutroni/antineutroni? Eventuali scontri tra protoni e neutroni o tra protoni ed elettroni sono possibili e cosa producono? Grazie

Nazario Menato

 


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Caro Nazario, esistono molti tipi di acceleratori icona_esperto[298] icona_esperto , cerchiamo di definirli e capire quando e perché di può preferire un tipo di acceleratore rispetto ad un altro. I collisori sono quegli acceleratori che fanno interagire particelle contro particelle. Tale particolare tecnica fu per la prima volta pensata e sviluppata presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN icona_linkesterno tra la fine degli anni ’50 e l’inizio degli anni’60 sotto la guida del fisico Bruno Touschekicona_minibiografia . Si possono accelerare particelle elementari (p.es elettroni), particelle composte (p.es. protoni), particelle composte ed estese (p.es.icona_esperto[41] ioni). In generale l’interazione tra particelle elementari è più facilmente interpretabile e porta a risultati diretti senza avere sovrapposizioni di eventi di fondo, competitivi, che ne complicano l’interpretazione. Accelerare elettroni ha però un inconveniente: un corpo (particella) elettricamente carico emette radiazione elettromagnetica se accelerato. Di conseguenza, una particella, accelerata lungo la traiettoria circolare del collisore di particelle, emette una luce molto intensa e monocromatica (peraltro usata in molte applicazioni di biologia e fisica dei materiali) chiamata “Luce di Sincrotrone” icona_esperto[25] . L’emissione di tale radiazione è proporzionale a 1/m4 e 1/r2 dove m è la massa della particella accelerata e r il raggio di curvatura dell’acceleratore. Quello che accade in realtà è che più si cerca di accelerare le particelle, più tali particelle emettono radiazione di sincrotrone perdendo di conseguenza energia. Asintoticamente si arriva ad un punto in cui tutta l’energia fornita per accelerare m viene persa in radiazione. Per diminuire tale effetto occorre o aumentare il raggio di curvatura r o aumentare la massa delle particelle accelerate. Ecco allora perché per raggiungere energie sempre più elevate vi è la necessità di costruire grandi acceleratori oppure di usare particelle più pesanti. Ancora meglio se le due condizioni sono verificate simultaneamente, come nell’LHC nell’Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra icona_linkesterno . Accelerando protoni, cioè particelle con una massa circa 2000 volte quella dell’elettrone, la luce di sincrotrone è molto soppressa (1/4000000) e quindi si possono raggiungere elevate energie di collisione. Purtroppo usare protoni anziché elettroni ha altri svantaggi, il maggiore dei quali è dovuto al fatto che il protone, non essendo elementare, da’ luogo alla interazione principale e, tramite tutti i suoi componenti, a molte altre simultanee interazioni di fondo. Si possono accelerare anche ioni per avere sistemi interagenti estesi. Ad esempio all’LHC o al RHIC icona_linkesterno si accelerano ioni piombo (nel primo) e ioni oro (nel secondo) per riprodurre e studiare il Quark Gluon Plasma che rappresenta lo stato della materia presente nell’Universo primordiale icona_esperto . Esistono poi acceleratori che permettono di far interagire particelle contro un bersaglio, composto quindi di atomi e/o molecole anche molto complesse e/o polarizzate per scopi ben specifici. Ogni acceleratore, proprio per la sua tecnica di base, può accelerare solo particelle elettricamente cariche. Esiste comunque il modo di avere interazioni di neutroni. Essendo però l’intensità di tali particelle molto bassa perchè prodotte da un fascio secondario o dal decadimento di altre particelle, e non potendo “gestire” magneticamente tali particelle perché elettricamente neutre, l’unico modo per usarle è farle collidere contro un bersaglio esteso. In particolare, i neutroni vengono usati a bassa energia (del resto non si riuscirebbe ad accelerarli ad alte energie) perchè è in tale regione cinematica che si comportano in modo interessante, ad alte energie si comporterebbero in maniera molto simile ad un protone.

 

Pasquale Di Nezza – Fisico

 

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ultimo aggiornamento ottobre 2015



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