Un acceleratore di particelle è un dispositivo che crea un raggio di particelle atomiche o subatomiche caricate elettricamente che si muovono a velocità prossime alla luce. Il suo lavoro si basa su un aumento della loro energia da parte di un campo elettrico e un cambiamento nella traiettoria - da parte di un campo magnetico.
A cosa servono gli acceleratori di particelle?
Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati in vari campi della scienza e dell'industria. Oggi ce ne sono più di 30mila in tutto il mondo. Per un fisico, gli acceleratori di particelle servono come strumento per la ricerca fondamentale sulla struttura degli atomi, la natura delle forze nucleari e le proprietà dei nuclei che non si trovano in natura. Questi ultimi includono il transuranio e altri elementi instabili.
Con l'aiuto di un tubo di scarica, è diventato possibile determinare la carica specifica. Gli acceleratori di particelle sono utilizzati anche nella produzione di radioisotopi, nella radiografia industriale, nella radioterapia, nella sterilizzazione di materiali biologici e nel radiocarbonioanalisi. Le installazioni più grandi vengono utilizzate nello studio delle interazioni fondamentali.
La durata delle particelle cariche a riposo rispetto all'acceleratore è inferiore a quella delle particelle accelerate a velocità prossime a quella della luce. Ciò conferma la relatività degli intervalli di tempo SRT. Ad esempio, al CERN è stato ottenuto un aumento di 29 volte della durata dei muoni a una velocità di 0,9994c.
Questo articolo discute come funziona un acceleratore di particelle, il suo sviluppo, i diversi tipi e le caratteristiche distintive.
Principi di accelerazione
Indipendentemente dagli acceleratori di particelle che conosci, hanno tutti elementi in comune. In primo luogo, devono avere tutti una fonte di elettroni nel caso di un cinescopio televisivo, o di elettroni, protoni e loro antiparticelle nel caso di installazioni più grandi. Inoltre, devono avere tutti campi elettrici per accelerare le particelle e campi magnetici per controllarne la traiettoria. Inoltre, il vuoto nell'acceleratore di particelle (10-11 mm Hg), ovvero la quantità minima di aria residua, è necessario per garantire una lunga durata dei fasci. Infine, tutte le installazioni devono disporre dei mezzi per registrare, contare e misurare le particelle accelerate.
Generazione
Elettroni e protoni, che sono più comunemente usati negli acceleratori, si trovano in tutti i materiali, ma prima devono essere isolati da essi. Gli elettroni sono generalmente generatiproprio come in un cinescopio, in un dispositivo chiamato "pistola". È un catodo (elettrodo negativo) nel vuoto, che viene riscaldato al punto in cui gli elettroni iniziano a staccarsi dagli atomi. Le particelle caricate negativamente vengono attratte dall'anodo (elettrodo positivo) e passano attraverso l'uscita. La pistola stessa è anche l'acceleratore più semplice, poiché gli elettroni si muovono sotto l'influenza di un campo elettrico. La tensione tra il catodo e l'anodo è generalmente compresa tra 50 e 150 kV.
Oltre agli elettroni, tutti i materiali contengono protoni, ma solo i nuclei degli atomi di idrogeno sono costituiti da singoli protoni. Pertanto, la fonte di particelle per gli acceleratori di protoni è l'idrogeno gassoso. In questo caso, il gas viene ionizzato ei protoni fuoriescono attraverso il foro. Nei grandi acceleratori, i protoni sono spesso prodotti come ioni idrogeno negativi. Sono atomi con un elettrone in più, che sono il prodotto della ionizzazione di un gas biatomico. È più facile lavorare con ioni idrogeno caricati negativamente nelle fasi iniziali. Quindi vengono fatti passare attraverso una lamina sottile che li priva di elettroni prima dello stadio finale di accelerazione.
Accelerazione
Come funzionano gli acceleratori di particelle? La caratteristica fondamentale di ognuno di essi è il campo elettrico. L'esempio più semplice è un campo statico uniforme tra potenziali elettrici positivi e negativi, simile a quello che esiste tra i terminali di una batteria elettrica. In talecampo, un elettrone che trasporta una carica negativa è soggetto a una forza che lo dirige verso un potenziale positivo. Lei lo accelera, e se non c'è niente che lo impedisca, la sua velocità e la sua energia aumentano. Gli elettroni che si muovono verso un potenziale positivo in un filo o anche nell'aria entrano in collisione con gli atomi e perdono energia, ma se sono nel vuoto, accelerano mentre si avvicinano all'anodo.
La tensione tra la posizione iniziale e finale di un elettrone determina l'energia da esso acquisita. Quando si passa attraverso una differenza di potenziale di 1 V, è uguale a 1 elettronvolt (eV). Ciò equivale a 1,6 × 10-19 joule. L'energia di una zanzara volante è un trilione di volte maggiore. In un cinescopio, gli elettroni sono accelerati da una tensione di oltre 10 kV. Molti acceleratori raggiungono energie molto più elevate, misurate in mega, giga e teraelettronvolt.
Varietà
Alcuni dei primi tipi di acceleratori di particelle, come il moltiplicatore di tensione e il generatore di Van de Graaff, utilizzavano campi elettrici costanti generati da potenziali fino a un milione di volt. Non è facile lavorare con tensioni così elevate. Un' alternativa più pratica è l'azione ripetitiva di deboli campi elettrici generati da bassi potenziali. Questo principio è utilizzato in due tipi di acceleratori moderni: lineare e ciclico (principalmente nei ciclotroni e nei sincrotroni). Gli acceleratori di particelle lineari, in breve, li passano una volta attraverso una sequenzacampi in accelerazione, mentre in quello ciclico si muovono ripetutamente lungo un percorso circolare attraverso campi elettrici relativamente piccoli. In entrambi i casi, l'energia finale delle particelle dipende dall'effetto combinato dei campi, così che molti piccoli "shock" si sommano per dare l'effetto combinato di uno grande.
La struttura ripetitiva di un acceleratore lineare per creare campi elettrici implica naturalmente l'uso della tensione CA anziché CC. Le particelle caricate positivamente vengono accelerate verso il potenziale negativo e ottengono un nuovo slancio se superano quello positivo. In pratica, la tensione dovrebbe cambiare molto rapidamente. Ad esempio, a un'energia di 1 MeV, un protone viaggia a velocità molto elevate di 0,46 la velocità della luce, percorrendo 1,4 m in 0,01 ms. Ciò significa che in uno schema ripetitivo lungo diversi metri, i campi elettrici devono cambiare direzione ad una frequenza di almeno 100 MHz. Gli acceleratori lineari e ciclici di particelle cariche, di regola, le accelerano usando campi elettrici alternati con una frequenza da 100 a 3000 MHz, cioè che vanno dalle onde radio alle microonde.
Un'onda elettromagnetica è una combinazione di campi elettrici e magnetici alternati che oscillano perpendicolarmente l'uno all' altro. Il punto chiave dell'acceleratore è regolare l'onda in modo che quando la particella arriva, il campo elettrico sia diretto secondo il vettore di accelerazione. Questo può essere fatto con un'onda stazionaria, una combinazione di onde che viaggiano in direzioni opposte in un circuito chiuso.spazio, come le onde sonore in una canna d'organo. Un' alternativa per gli elettroni che si muovono molto velocemente che si avvicinano alla velocità della luce è un'onda che viaggia.
Autofasatura
Un effetto importante quando si accelera in un campo elettrico alternato è l'"autofasatura". In un ciclo di oscillazione, il campo alternato va da zero attraverso un valore massimo nuovamente a zero, scende al minimo e sale a zero. Quindi passa attraverso il valore necessario per accelerare due volte. Se la particella in accelerazione arriva troppo presto, non sarà influenzata da un campo di forza sufficiente e la spinta sarà debole. Quando raggiungerà la sezione successiva, sarà in ritardo e sperimenterà un impatto più forte. Di conseguenza, si verificherà l'autofasatura, le particelle saranno in fase con il campo in ciascuna regione in accelerazione. Un altro effetto sarebbe quello di raggrupparli nel tempo in gruppi piuttosto che in un flusso continuo.
Direzione del raggio
Anche i campi magnetici svolgono un ruolo importante nel funzionamento di un acceleratore di particelle cariche, poiché possono cambiare la direzione del loro movimento. Ciò significa che possono essere utilizzati per "piegare" le travi lungo un percorso circolare in modo che attraversino più volte la stessa sezione in accelerazione. Nel caso più semplice, una particella carica che si muove ad angolo retto rispetto alla direzione di un campo magnetico uniforme è soggetta a una forzaperpendicolare sia al vettore del suo spostamento che al campo. Ciò fa sì che il raggio si muova lungo una traiettoria circolare perpendicolare al campo fino a quando non lascia la sua area di azione o un' altra forza inizia ad agire su di esso. Questo effetto è utilizzato negli acceleratori ciclici come il ciclotrone e il sincrotrone. In un ciclotrone, un campo costante è generato da un grande magnete. Le particelle, man mano che la loro energia cresce, si muovono a spirale verso l'esterno, accelerando ad ogni rivoluzione. In un sincrotrone, i grappoli si muovono attorno a un anello con un raggio costante e il campo creato dagli elettromagneti attorno all'anello aumenta con l'accelerazione delle particelle. I magneti di "flessione" sono dipoli con i poli nord e sud piegati a forma di ferro di cavallo in modo che il raggio possa passare tra di loro.
La seconda importante funzione degli elettromagneti è concentrare i raggi in modo che siano il più stretti e intensi possibile. La forma più semplice di un magnete di focalizzazione è con quattro poli (due nord e due sud) uno di fronte all' altro. Spingono le particelle verso il centro in una direzione, ma consentono loro di propagarsi nella direzione perpendicolare. I magneti quadrupoli focalizzano il raggio orizzontalmente, permettendogli di sfocare verticalmente. Per fare questo, devono essere usati in coppia. Magneti più complessi con più poli (6 e 8) vengono utilizzati anche per una messa a fuoco più precisa.
All'aumentare dell'energia delle particelle, aumenta la forza del campo magnetico che le guida. Ciò mantiene il raggio sullo stesso percorso. Il coagulo viene introdotto nell'anello e acceleratoenergia richiesta prima che possa essere prelevata e utilizzata negli esperimenti. La retrazione è ottenuta da elettromagneti che si accendono per spingere le particelle fuori dall'anello di sincrotrone.
Collisione
Gli acceleratori di particelle utilizzati in medicina e nell'industria producono principalmente un raggio per uno scopo specifico, come la radioterapia o l'impianto di ioni. Ciò significa che le particelle vengono utilizzate una volta. Per molti anni lo stesso è stato per gli acceleratori utilizzati nella ricerca di base. Ma negli anni '70 furono sviluppati anelli in cui i due raggi circolano in direzioni opposte e si scontrano lungo l'intero circuito. Il vantaggio principale di tali installazioni è che in una collisione frontale, l'energia delle particelle va direttamente nell'energia di interazione tra di loro. Ciò contrasta con quanto accade quando il raggio entra in collisione con materiale a riposo: in questo caso, la maggior parte dell'energia viene spesa per mettere in movimento il materiale bersaglio, secondo il principio di conservazione della quantità di moto.
Alcune macchine a raggio in collisione sono costruite con due anelli che si intersecano in due o più punti, in cui particelle dello stesso tipo circolano in direzioni opposte. I collisori con particelle e antiparticelle sono più comuni. Un'antiparticella ha la carica opposta della sua particella associata. Ad esempio, un positrone è caricato positivamente, mentre un elettrone è caricato negativamente. Ciò significa che il campo che accelera l'elettrone rallenta il positrone,muovendosi nella stessa direzione. Ma se quest'ultimo si muove nella direzione opposta, accelererà. Allo stesso modo, un elettrone che si muove attraverso un campo magnetico si piegherà a sinistra e un positrone si piegherà a destra. Ma se il positrone si muove verso di esso, il suo percorso devierà ancora a destra, ma lungo la stessa curva dell'elettrone. Insieme, ciò significa che queste particelle possono muoversi lungo l'anello di sincrotrone a causa degli stessi magneti ed essere accelerate dagli stessi campi elettrici in direzioni opposte. Molti dei più potenti collisori sui fasci in collisione sono stati creati secondo questo principio, poiché è richiesto un solo anello dell'acceleratore.
Il raggio nel sincrotrone non si muove continuamente, ma è combinato in "gruppi". Possono essere lunghi diversi centimetri e un decimo di millimetro di diametro e contenere circa 1012 particelle. Questa è una piccola densità, poiché una sostanza di queste dimensioni contiene circa 1023 atomi. Pertanto, quando i raggi si intersecano con i raggi in arrivo, c'è solo una piccola possibilità che le particelle interagiscano tra loro. In pratica i grappoli continuano a muoversi lungo l'anello e si incontrano di nuovo. Il vuoto profondo nell'acceleratore di particelle (10-11 mmHg) è necessario affinché le particelle possano circolare per molte ore senza entrare in collisione con le molecole d'aria. Pertanto, gli anelli sono anche chiamati cumulativi, poiché i pacchi vengono effettivamente conservati al loro interno per diverse ore.
Registrati
Gli acceleratori di particelle per la maggior parte possono registrare cosa succede quandoquando le particelle colpiscono un bersaglio o un altro raggio che si muove nella direzione opposta. In un cinescopio televisivo, gli elettroni di una pistola colpiscono un fosforo sulla superficie interna dello schermo ed emettono luce, che ricrea così l'immagine trasmessa. Negli acceleratori, tali rivelatori specializzati rispondono alle particelle sparse, ma di solito sono progettati per generare segnali elettrici che possono essere convertiti in dati informatici e analizzati utilizzando programmi per computer. Solo gli elementi carichi creano segnali elettrici passando attraverso un materiale, ad esempio eccitando o ionizzanti atomi, e possono essere rilevati direttamente. Particelle neutre come neutroni o fotoni possono essere rilevate indirettamente attraverso il comportamento delle particelle cariche che mettono in moto.
Ci sono molti rilevatori specializzati. Alcuni di essi, come il contatore Geiger, contano semplicemente le particelle, mentre altri vengono utilizzati, ad esempio, per registrare tracce, misurare la velocità o misurare la quantità di energia. I rilevatori moderni variano in dimensioni e tecnologia da piccoli dispositivi accoppiati a carica a grandi camere riempite di gas riempite di fili che rilevano le scie ionizzate create dalle particelle cariche.
Cronologia
Gli acceleratori di particelle sono stati sviluppati principalmente per studiare le proprietà dei nuclei atomici e delle particelle elementari. Dalla scoperta della reazione tra il nucleo di azoto e la particella alfa da parte del fisico britannico Ernest Rutherford nel 1919, tutte le ricerche di fisica nucleare fino aIl 1932 è stato trascorso con i nuclei di elio rilasciati dal decadimento degli elementi radioattivi naturali. Le particelle alfa naturali hanno un'energia cinetica di 8 MeV, ma Rutherford credeva che per osservare il decadimento dei nuclei pesanti, dovessero essere accelerate artificialmente a valori ancora maggiori. All'epoca sembrava difficile. Tuttavia, un calcolo effettuato nel 1928 da Georgy Gamow (all'Università di Göttingen, Germania) ha mostrato che si potevano usare ioni con energie molto più basse, e questo ha stimolato i tentativi di costruire una struttura che fornisse un raggio sufficiente per la ricerca nucleare.
Altri eventi di questo periodo hanno dimostrato i principi con cui sono costruiti gli acceleratori di particelle fino ad oggi. I primi esperimenti di successo con ioni accelerati artificialmente furono condotti da Cockcroft e W alton nel 1932 presso l'Università di Cambridge. Usando un moltiplicatore di tensione, hanno accelerato i protoni a 710 keV e hanno mostrato che questi ultimi reagiscono con il nucleo di litio per formare due particelle alfa. Nel 1931, all'Università di Princeton nel New Jersey, Robert van de Graaff aveva costruito il primo generatore elettrostatico a cinghia ad alto potenziale. I moltiplicatori di tensione Cockcroft-W alton e i generatori Van de Graaff sono ancora usati come fonti di alimentazione per gli acceleratori.
Il principio di un acceleratore lineare risonante è stato dimostrato da Rolf Wideröe nel 1928. All'Università di tecnologia della Renania-Westfalia ad Aquisgrana, in Germania, ha utilizzato un' alta tensione alternata per accelerare due volte gli ioni sodio e potassio alle energieeccedenti quelli da loro segnalati. Nel 1931 negli Stati Uniti, Ernest Lawrence e il suo assistente David Sloan dell'Università della California, Berkeley, usarono campi ad alta frequenza per accelerare gli ioni di mercurio a energie superiori a 1,2 MeV. Questo lavoro integrava l'acceleratore di particelle pesanti Wideröe, ma i fasci ionici non erano utili nella ricerca nucleare.
L'acceleratore di risonanza magnetica, o ciclotrone, è stato concepito da Lawrence come una modifica dell'installazione di Wideröe. Lo studente di Lawrence Livingston dimostrò il principio del ciclotrone nel 1931 producendo ioni da 80 keV. Nel 1932 Lawrence e Livingston annunciarono l'accelerazione dei protoni a oltre 1 MeV. Più tardi, negli anni '30, l'energia dei ciclotroni raggiunse circa 25 MeV e quella dei generatori Van de Graaff raggiunse circa 4 MeV. Nel 1940, Donald Kerst, applicando i risultati di accurati calcoli orbitali alla progettazione di magneti, costruì il primo betatrone, un acceleratore di elettroni a induzione magnetica, presso l'Università dell'Illinois.
Fisica moderna: acceleratori di particelle
Dopo la seconda guerra mondiale, la scienza dell'accelerazione delle particelle ad alte energie fece rapidi progressi. È stato avviato da Edwin Macmillan a Berkeley e Vladimir Veksler a Mosca. Nel 1945, entrambi descrissero indipendentemente il principio della stabilità di fase. Questo concetto offre un mezzo per mantenere stabili le orbite delle particelle in un acceleratore ciclico, che ha rimosso la limitazione dell'energia dei protoni e ha permesso di creare acceleratori di risonanza magnetica (sincrotroni) per gli elettroni. L'autofasatura, l'attuazione del principio della stabilità di fase, è stata confermata dopo la costruzioneun piccolo sincrociclotrone all'Università della California e un sincrotrone in Inghilterra. Poco dopo fu creato il primo acceleratore risonante lineare di protoni. Questo principio è stato utilizzato in tutti i grandi sincrotroni protonici costruiti da allora.
Nel 1947, William Hansen, alla Stanford University in California, costruì il primo acceleratore di elettroni a onde mobili lineari utilizzando la tecnologia a microonde sviluppata per i radar durante la seconda guerra mondiale.
Il progresso della ricerca è stato reso possibile dall'aumento dell'energia dei protoni, che ha portato alla costruzione di acceleratori sempre più grandi. Questa tendenza è stata interrotta dall' alto costo della produzione di enormi magneti ad anello. Il più grande pesa circa 40.000 tonnellate. I modi per aumentare l'energia senza aumentare le dimensioni delle macchine furono dimostrati nel 1952 da Livingston, Courant e Snyder nella tecnica della messa a fuoco alternata (a volte chiamata messa a fuoco forte). I sincrotroni basati su questo principio utilizzano magneti 100 volte più piccoli di prima. Tale focalizzazione è usata in tutti i sincrotroni moderni.
Nel 1956, Kerst si rese conto che se due insiemi di particelle erano mantenute in orbite intersecanti, si potevano osservare collisioni. L'applicazione di questa idea richiedeva l'accumulo di fasci accelerati in cicli chiamati stoccaggio. Questa tecnologia ha permesso di ottenere la massima energia di interazione delle particelle.
