Acceleratore di particelle
Introduzione
Acceleratore di particelle Dispositivo che ha lo scopo di accelerare fasci di particelle cariche, portandoli ad alti valori di energia cinetica. Gli acceleratori di particelle sono utilizzati dai fisici per lo studio della struttura fondamentale della materia e delle forze che regolano le interazioni fra particelle.
Sala di controllo di un acceleratore. Sala di controllo del Super Protosincrotrone, uno degli acceleratori del CERN (Laboratorio europeo per la fisica delle particelle) di Ginevra. Il funzionamento di un acceleratore richiede il monitoraggio continuo di ciascun elemento della macchina, del sistema di raffreddamento, della posizione e della stabilità delle particelle che scorrono nel tubo e del livello di radiazione e di ventilazione del tunnel e delle aree sperimentali. Ciascuno dei tre grossi acceleratori attualmente in funzione al CERN è gestito da un sistema di questo tipo. Per assolvere a queste funzioni e rispondere a qualsiasi emergenza, ogni giorno un team di tecnici e ingegneri si installa in ciascuna delle sale di controllo del laboratorio, con turni di otto ore ciascuno, coprendo tutto l'arco delle 24 ore.
Tre elementi strutturali fondamentali accomunano tutte le macchine di questo tipo: una sorgente di particelle, un tubo in cui è fatto il vuoto, dentro il quale si muove il fascio delle particelle, e diversi dispositivi per imprimere l’accelerazione.
Acceleratore LEP ed esperimenti. Il tunnel che alloggiava l’acceleratore LEP del CERN corre alcune decine di metri sottoterra, attraversando il confine fra Svizzera e Francia nei pressi di Ginevra. Lo schema mostra l’acceleratore (anello rosa in figura) e i quattro esperimenti di fisica che vi erano installati, collegati da imponenti ascensori alle rispettive aree sperimentali in superficie, dove era collocata la strumentazione di raccolta dati. A partire dall’anno 2001, il LEP è stato smantellato per lasciare posto, nel medesimo tunnel, a un nuovo acceleratore per adroni, LHC (Large Hadron Collider).
Cavità superconduttrice in camera sterile. Per portare il collisore LEP del CERN al doppio dell'energia per cui era stato progettato, oltre la metà delle cavità a radiofrequenza della macchina (gli elementi che imprimono l'accelerazione alle particelle) furono progressivamente sostituite con cavità realizzate in materiale superconduttore, ottenuto ricoprendo il rame con un sottile strato di niobio. A parità di potenza fornita, le forze acceleranti ottenute nelle cavità superconduttrici sono circa il doppio di quelle ottenibili con sistemi tradizionali, ma se solo sulla superficie superconduttrice si deposita un granello di polvere, il meccanismo di superconduttività viene distrutto. Ecco perché la costruzione, l'assemblaggio e le verifiche di funzionamento delle cavità sono operazioni estremamente delicate, che vanno eseguite in camere sterili.
Schema degli acceleratori del CERN. Il complesso sistema di acceleratori per particelle del CERN: il grande anello che domina la figura rappresenta il tunnel in cui fino al 2000 era ospitato il LEP (Large Electron Positron collider, acceleratore per elettroni e positroni) e in cui nel 2008 è entrato in funzione il nuovo acceleratore di adroni LHC (Large Hadron Collider). SPS (SuperProtoSincrotrone) funziona sia come acceleratore a se stante, sia come preacceleratore – per il LEP prima e per LHC poi. Per fornire le particelle a questi acceleratori maggiori sono necessarie numerose macchine più piccole: LIL, EPA e PS servono rispettivamente a iniettare, accumulare e preaccelerare le particelle, mentre AD è una macchina che serve a produrre antiprotoni ultralenti per particolari esperimenti di fisica.
ACCELERATORI ELETTROSTATICI
Acceleratore Cockcroft-Walton. Colonna dell'acceleratore Cockcroft-Walton in funzione al CERN (Laboratorio per la fisica delle particelle) di Ginevra. L'acceleratore porta i protoni fino all'energia di 800 KeV (migliaia di elettronvolt) prima della loro iniezione nel LINAC, altro acceleratore del Laboratorio.
Un modo per accelerare le particelle dotate di carica elettrica si basa sull’applicazione di un campo elettrostatico. Nel 1932, applicando un’elevata differenza di potenziale (800.000 volt) a una coppia di elettrodi posti alle estremità di un tubo a vuoto, gli scienziati britannici John D. Cockcroft ed Ernest Walton riuscirono ad accelerare a un’energia di 250.000 elettronvolt (eV) dei protoni e, inviandoli su un bersaglio costituito da atomi di litio, a ottenere la disintegrazione della struttura atomica. La tecnica di Cockcroft e Walton, benché ormai in disuso per le limitate energie che può fornire, è rimasta per circa cinquant’anni il metodo più diffuso per imprimere la spinta iniziale a particelle da introdurre in acceleratori più potenti.
Generatore di Van de Graaff. Ideato nel 1931 dal fisico statunitense Robert van de Graaff, il generatore qui illustrato è capace di accelerare particelle a energie di decine di MeV (1 MeV = 1 milione di eV; 1 eV è l'energia acquistata da un elettrone in presenza di una differenza di potenziale di 1 volt).
Uno sviluppo del metodo di Cockcroft e Walton fu il celebre generatore di Van de Graaff, ideato all’inizio degli anni Trenta dal fisico statunitense Robert van de Graaff. In esso la differenza di potenziale tra i due elettrodi viene ottenuta mediante il trasporto di cariche su una cinghia mobile. I moderni acceleratori di Van de Graaff sono in grado di accelerare particelle fino all’energia di 15 MeV (15 milioni di elettronvolt).
CLIC (prototipo). Il prototipo di una sezione di CLIC (acronimo di Cern LInear Collider), forse destinato a diventare il prossimo acceleratore per elettroni. L'acceleratore è in fase di studio già da diversi anni al CERN di Ginevra, il laboratorio europeo per la fisica delle particelle. Per comprendere la difficoltà di realizzazione di questa macchina, si pensi che le dimensioni trasversali del prototipo sono di pochi centimetri. La necessità di utilizzare un acceleratore lineare per spingere gli elettroni a energie superiori a quelle finora raggiunte nasce dal fatto che, su traiettorie circolari, come quelle degli attuali collisori, gli elettroni perdono velocità rapidamente, a causa del processo di bremsstrahlung. Il più potente acceleratore per elettroni esistente raggiunge un'energia di 100 GeV (miliardi di elettronvolt): CLIC porterebbe questa energia a 2/3 TeV (mille miliardi di elettronvolt).
CLIC (dimensioni reali). La foto mostra la sezione trasversale di CLIC (Cern LInear Collider), il nuovo acceleratore lineare per elettroni da qualche anno in fase di studio al CERN di Ginevra. Le dimensioni così ridotte derivano dall'alta frequenza (30 GHz) scelta per il campo elettrico accelerante. Le equazioni dell'elettromagnetismo, infatti, prescrivono che la propagazione del campo elettromagnetico in strutture chiuse può aversi solo se le dimensioni della struttura sono confrontatibili a quelle della lunghezza d'onda del campo, che nel caso di 30 GHz è di un solo centimetro.
LINAC
L’acceleratore lineare (Linac) fu concepito alla fine degli anni Venti. Utilizza un campo elettrico oscillante per accelerare particelle lungo una traiettoria rettilinea. Le particelle passano attraverso una serie di cavità a radiofrequenza, allineate all’interno di un tubo a vuoto: il campo elettrico alternato raggruppa le particelle in pacchetti, che subiscono l’accelerazione quando attraversano lo spazio fra due cavità. In linea teorica si potrebbero costruire Linac capaci di produrre energie enormi; in pratica tale potenzialità è vanificata da motivazioni logistiche: per energie maggiori servono lunghezze maggiori, il che significa che oltre un certo limite si dovrebbe costruire un acceleratore di lunghezza smisurata.
Acceleratore LINAC. Acceleratore lineare Alvarez per protoni in funzione al CERN (Laboratorio europeo per la ricerca di fisica delle particelle) di Ginevra. Lo strumento deve il nome al fisico statunitense Luis Walter Alvarez, che per primo ebbe l'idea di utilizzare una struttura a "tubi di drift" di diversa lunghezza per accelerare le particelle. Un intenso campo elettrico oscillante riempie lo spazio interno al grosso tubo dell'acceleratore, mentre le particelle scorrono al centro della struttura, passando attraverso i tubi più piccoli (tubi di drift): la funzione di questi ultimi è di schermare le particelle quando il campo, cambiando la fase, si opporrebbe al loro moto. La corretta dimensionatura dei tubi di drift fa sì che, nel tempo impiegato dalle particelle a percorrere un tubo, il campo diventi nuovamente di segno favorevole al moto e, al loro emergere da ciascun tubo, torni a imprimere una forza accelerante.
Il più grande Linac oggi esistente si trova alla Stanford University, in California: è lungo 3,2 km ed è in grado di accelerare elettroni a un’energia di 50 GeV (50 miliardi di elettronvolt). Il Linac di Stanford fu progettato per far collidere due fasci di particelle dopo che questi sono stati mantenuti per un certo tempo in anelli di accumulazione (vedi oltre, Collisore ad anello di accumulazione).
ACCELERATORI CIRCOLARI
Gli acceleratori circolari sono stati concepiti per poter accelerare le particelle a energie elevate utilizzando macchine di dimensioni limitate: l’energia delle particelle, che aumenta di una piccola quantità a ogni percorso della circonferenza della macchina, in linea di principio può essere fatta crescere a piacere facendo compiere alle particelle un numero molto grande di rivoluzioni.
Ciclotrone
Edwin McMillan. Il fisico statunitense Edwin McMillan ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1951. Il riconoscimento gli fu assegnato per la scoperta del primo elemento transuranico, il nettunio, e per la successiva scoperta del plutonio. Il contributo di McMillan fu importante anche nel campo degli acceleratori di particelle: si deve a lui l'invenzione del sincrociclotrone.
Nel 1939 il fisico statunitense Ernest O. Lawrence ottenne il premio Nobel per la fisica per l’invenzione del ciclotrone, il primo acceleratore di particelle di forma circolare. La macchina è costituita da due elettrodi cavi a forma di “D”, posti uno di fronte all’altro ( D) e collegati a un generatore di tensione oscillante: all’esterno delle camere a vuoto un potente elettromagnete genera un campo magnetico uniforme (detto “campo guida”), che serve a far muovere le particelle lungo una traiettoria curva con velocità costante.
Le particelle ricevono un’accelerazione a ogni passaggio attraverso lo spazio vuoto tra i due elettrodi; man mano che aumenta la loro energia cinetica, aumenta il raggio della circonferenza descritta, e quindi la loro traiettoria si sposta verso i bordi dell’acceleratore, assumendo una forma a spirale. Il fascio viene infine deviato da un deflettore elettrostatico verso l’esterno dell’acceleratore e diretto contro un bersaglio.
Quando le particelle raggiungono velocità prossime a quelle della luce, non è possibile trascurare gli effetti relativistici; ad esempio, l’aumento della massa. È a causa di questo effetto che nel ciclotrone, ad esempio, diventa difficile mantenere in fase il campo esterno oscillante e la frequenza di rivoluzione delle particelle. La soluzione al problema fu suggerita nel 1945 dal sovietico Vladimir I. Veksler e dallo statunitense Edwin M. McMillan, che inventarono il sincrociclotrone, chiamato anche ciclotrone a modulazione di frequenza.
Nel sincrociclotrone la frequenza dell’oscillatore (generatore di radiofrequenza) che accelera le particelle al passaggio fra le “D” è automaticamente regolata in base alla frequenza di rotazione delle particelle, e viene leggermente ridotta quando la massa delle particelle aumenta. Per ottenere valori elevati di energia con un sincrociclotrone è necessaria una macchina di grosse dimensioni, poiché l’incremento dell’accelerazione provoca un progressivo aumento del raggio dell’orbita descritta dalle particelle.
Il più grande sincrociclotrone esistente è quello di Dubna, in Russia, in grado di accelerare un fascio di protoni fino a circa 700 MeV.
Betatrone
Gli elettroni subiscono un considerevole aumento della massa quando sono accelerati a energie relativistiche: all’energia di 1 MeV, ad esempio, un elettrone ha una massa tre volte maggiore della propria massa a riposo. Per accelerare gli elettroni viene dunque impiegato un acceleratore appositamente studiato, detto betatrone, che consiste di una camera a vuoto a forma di ciambella, collocata tra i poli di un elettromagnete. Quando una corrente alternata è applicata all’elettromagnete, la variazione di flusso del campo magnetico attraverso l’orbita circolare degli elettroni dà luogo a una forza elettromotrice indotta che accelera il fascio. Il campo e il flusso magnetico vengono regolati in modo da mantenere costante il raggio dell’orbita degli elettroni.
Sincrotrone
Primo protosincrotrone. Il Cosmotron, costruito presso il Brookhaven National Laboratory dello stato di New York, fu il primo acceleratore di particelle a superare la barriera di 1 GeV (1 miliardo di elettronvolt). Costruito nel 1952, ha accelerato protoni fino a energie di circa 3 GeV. Il suo magnete anulare aveva un diametro interno di 18 m e pesava circa 2000 t.
Il sincrotrone è il più recente e il più potente fra gli acceleratori circolari. È costituito da un grande anello cavo circondato da magneti, che servono soprattutto a mantenere la traiettoria delle particelle al centro dell’anello. Dopo essere state preaccelerate a un’energia di diversi milioni di elettronvolt, le particelle vengono immesse nell’anello, dove subiscono un’accelerazione in uno o più punti dell’orbita circolare. Raggiunta l’energia di qualche GeV (miliardi di elettronvolt), un processo che si compie in pochi secondi, le particelle vengono espulse e indirizzate in un nuovo apparato sperimentale, o contro bersagli opportuni, dove possono generare particelle elementari diverse. Queste macchine sono utilizzate prevalentemente per accelerare protoni (protosincrotrone), ma sono applicate anche a elettroni (elettrosincrotrone).
Nel 1952, presso i laboratori di Brookhaven, nello stato di New York, entrò in funzione il Cosmotron, il primo protosincrotrone, che poteva accelerare i fasci di particelle all’energia di 3 GeV. A metà degli anni Sessanta furono messi a punto due sincrotroni capaci di accelerare protoni a energie di circa 30 GeV: il sincrotrone a gradiente alternato (AGS) dei laboratori di Brookhaven e l’ISR (Intersecting Storage Rings), una macchina simile realizzata nei pressi di Ginevra dal CERN (Laboratorio europeo per la ricerca di fisica delle particelle).
CERN: veduta aerea. Situato presso Ginevra, al confine tra Svizzera e Francia, il CERN è uno fra i più importanti laboratori al mondo per la ricerca di fisica delle alte energie e richiama nell'area ginevrina parecchie migliaia di ricercatori di tutte le nazionalità. Nella foto sono tracciati gli anelli dei tre maggiori acceleratori del CERN: l'anello più piccolo è il Protosincrotrone (PS), quello di medie dimensioni è il SuperProtoSincrotrone (SPS) e il più grande è il LEP (Large Electron Positron Collider), della circonferenza di 27 km. I tre anelli corrono in tunnel sotterranei: dal 2008 il tunnel del LEP, nel frattempo messo a riposo, ospita il più potente acceleratore del mondo, il Large Hadron Collider (LHC). Sullo sfondo, a destra, il lago Lemano, e a sinistra i monti Giura.
Nel 1981 venne messo in funzione il SuperProtoSincrotrone (SPS) del CERN, successivamente utilizzato per preaccelerare, all’energia di 400 GeV, gli elettroni destinati al LEP (Large Electron-Positron Collider); nel medesimo anno si avviarono anche le operazioni del sincrotrone costruito al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), situato nei pressi di Chicago, in Illinois, capace di portare l’energia dei protoni fino a 500 GeV.
Nel 1983 il protosincrotrone del Fermilab fu dotato di magneti superconduttori che, generando un campo molto più intenso dei magneti tradizionali, permisero di raggiungere l’energia finale di 1 TeV (mille miliardi di elettronvolt). Nel 1989 al CERN venne messo in funzione il LEP, un acceleratore circolare lungo 27 km, rimasto in funzione fino al novembre 2000, che permetteva di accelerare elettroni e positroni a un’energia di collisione di oltre 200 GeV.
Magnete per LHC. Un prototipo del magnete dipolare superconduttore per LHC: sono visibili i due tubi dell'acceleratore in cui scorrono, in opposta direzione, i due fasci di protoni. I tubi si incrociano in quattro punti della macchina opportunamente scelti, in corrispondenza dei quali ha luogo la collisione delle particelle e si trovano gli apparati sperimentali di rivelazione.
Un collisore, più spesso riferito con il termine inglese collider, è la combinazione di un acceleratore circolare e di uno o più anelli di accumulazione. Anziché inviare il fascio di particelle accelerate su un bersaglio fisso, il collisore accelera due fasci di particelle negli anelli di accumulazione e li fa successivamente scontrare frontalmente, in violente e ripetute collisioni.
Il LEP del CERN era un collisore in cui elettroni e positroni venivano fatti circolare nel medesimo anello, sfruttando la forza di verso opposto che un campo magnetico esercita sui due fasci, in virtù del segno opposto della loro carica elettrica. Nel 1987 il Fermilab convertì il protosincrotrone in un collisore (al complesso di acceleratore e anello di accumulazione è stato dato il nome di Tevatron) per produrre scontri fra un fascio di protoni e uno di antiprotoni a un’energia di collisione di 2 TeV.
Criostati per LHC. I criostati in cui verranno racchiuse le cavità a radiofrequenza superconduttrici di LHC, l'acceleratore di particelle approntato nel 2008 al CERN (Laboratorio europeo per la fisica delle particelle) di Ginevra. Sia le cavità superconduttrici sia i magneti di LHC sono realizzati in materiale superconduttore, per ottenere campi elettromagnetici di alta intensità e riuscire a soddisfare l'ambizioso scopo di accelerare le particelle a un'energia finora mai raggiunta (14 milioni di milioni di elettronvolt). Tutti gli elementi della macchina, dunque, saranno chiusi in criostati e mantenuti a temperature criogeniche.
I collisori attualmente in funzione sono già estremamente potenti, ma per la verifica sperimentale delle nuove teorie fisiche sono necessarie apparecchiature ancora più grandi, che richiedono investimenti economici consistenti. Per sfruttare al massimo le infrastrutture già esistenti, è stato ideato il Large Hadron Collider (LHC), una nuova macchina costruita al CERN, nel medesimo tunnel che ospitò il tubo di accelerazione del LEP. LHC produce collisioni fra due fasci di protoni, ciascuno accelerato all’energia di 7 TeV. La sua messa in opera è avvenuta nel settembre del 2008.
Un progetto analogo era stato varato anche dagli Stati Uniti, dove nel 1988 era iniziata a Waxahatchie, in Texas, la costruzione del Superconducting Super Collider (SSC). La nuova macchina doveva essere un enorme collisore lungo 87 km, per ottenere un’energia di collisione di 20 TeV tra fasci di protoni: la sua realizzazione fu bloccata dal Congresso federale nel 1994, quando già gran parte del tunnel era stato scavato, poiché la spesa finale si preannunciava proibitiva.
APPLICAZIONI
Tracce di particelle elementari. In questa immagine, le tracce lasciate da alcune particelle in una camera a bolle del CERN, centro internazionale di ricerca situato nei pressi di Ginevra. Dall'esame di queste tracce è possibile risalire ad alcune caratteristiche fisiche delle particelle che le hanno create tra cui, ad esempio, la carica elettrica. La camera a bolle si trova infatti in un campo magnetico che devia le cariche positive in una certa direzione, quelle negative nella direzione opposta, e lascia inalterato il cammino delle particelle neutre.
Acceleratore per uso medico. Uno scanner per la Tomografia a emissione di positroni sviluppato dal CERN (Laboratorio europeo per la fisica delle particelle) di Ginevra in collaborazione con l'Ospedale Cantonale di Ginevra. Lo strumento spara isotopi radioattivi sulla parte da analizzare: l'organismo risponde producendo positroni, che, attraversando i tessuti, si trasformano in fotoni. Contatori a scintillazione installati sulla stessa macchina leggono le informazioni e le traducono in segnali digitali, successivamente trasformati da un computer in un'immagine comprensibile al medico.
Gli acceleratori sono impiegati nella ricerca sperimentale per studiare il nucleo atomico e le particelle che lo costituiscono: con acceleratori di energia superiore a 1 GeV è possibile esplorare la struttura fondamentale della materia e cercare di spiegarne il comportamento. In particolare, i collisori permettono agli scienziati di realizzare scontri violenti tra particelle e di simulare la condizione della materia primordiale, com’era pochi secondi dopo la nascita dell’universo. Studiando gli effetti provocati da tali collisioni, i fisici sperano di scoprire i principi e le leggi che hanno determinato l’evoluzione dell’universo dalla nascita fino alle forme oggi a noi note.
Gli acceleratori hanno però anche applicazioni molto più pratiche: sono, ad esempio, largamente utilizzati per produrre i radionuclidi, usati come traccianti o radioisotopi in medicina e nell’industria.
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