D. Alesini - Incontri di Fisica 6-8 Ottobre 2004 Come esplorare l'infinitamente piccolo: un viaggio nel mondo degli acceleratori di particelle Divisione

D. Alesini - Incontri di Fisica 6-8 Ottobre 2004

Come esplorare l'infinitamente piccolo: un viaggio nel mondo degli acceleratori di particelle

Divisione Acceleratori

LNF-INFN

David Alesini

http://www.lnf.infn.it/edu/incontri/Welcome.html

http://www.lnf.infn.it/edu/incontri/Welcome.html


Sommario

A cosa servono gli acceleratori di particelle

Principio di funzionamento di un acceleratore di particelle e principali tipologie

DAФNE (LNF)

Alcuni Acceleratori attualmente in funzione nel mondo……e progetti futuri

Applicazioni (oltre alla ricerca fondamentale…)

Lineari (Elettrostatici…Futuri Collisori Lineari)Circolari (Ciclotroni…Anelli di accumulazione e sincrotroni)

Medicina: radioterapia e adroterapiaAnalisi molecolare, cellulare, cristallograficaIndustria: impiantazione ionica, produzione di isotopi,

smaltimento scorie radioattiveFEL


A cosa servono gli acceleratori di particelle I primi acceleratori di particelle furono realizzati per studiare i costituenti più piccoli della materia.

Un fascio di particelle (elettroni, positroni, protoni, ioni,…) che colpisce una targhetta o collide con un altro fascio produce reazioni nucleari, annichilazioni e crea nuove particelle. Lo studio di questi fenomeni con i rivelatori…

…fornisce informazioni sui costituenti ultimi del nostro universo e sulle leggi che li governano

…consente di capire l’origine dell’Universo che ci circonda e di studiarne l’evoluzione


La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con l’energia: per esempio l’energia massima delle particelle alfa è solo 10 MeV mentre i raggi cosmici, anche quando molto energetici, non sono prevedibili.

I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano sorgenti naturali: particelle alfa, raggi cosmici.

Gli acceleratori di particelle nascono dalla necessità di creare collisioni ad elevata energia e ripetibili in modo da poter effettuare studi sistematici.

I primi studi sugli acceleratori risalgono agli anni ’20.. I primi acceleratori agli anni ’30.


La capacità di “creare” nuove particelle e di “rompere” i legami nucleari aumenta con l’energia e con la quantità di particelle coinvolte nell’ interazione.

Lo sviluppo degli acceleratori per la fisica delle alte energie è stato determinato dalla necessità di ottenere energie e intensità di fasci sempre maggiori.

Diagramma dell’energia degli acceleratori dal 1930

Un incremento di3 ordini di

grandezza ogni 20 anni!

L’unità di misura dell’energia delle particelle è l’elettronvolt [eV] pari all’energia di un elettrone accelerato da una differenza di potenziale (ddp) elettrostatico di 1 volt: 1 eV=1.6x10-19 J


Principio di funzionamento di un acceleratore di particelle

I fasci di particelle cariche devono essere energetici perche’ siano utili, è quindi necessaria una forza (ELETTRICA) che li acceleri.

In generale i fasci sono costituiti da tanti pacchetti consecutivi, ognuno contenente un numero enorme di particelle di uguale carica.

E’ necessaria una forza esterna (MAGNETICA o ELETTRICA) che focheggi il fascio.

GENERAZIONE PARTICELLE DA ACCELERARE

(e-,p,ioni)

TARGHETTA FISSA

ACCELERAZIONE

COLLISIONE CON ALTRO FASCIO

ONDULATORE PER FEL

ACCUMULAZIONE


Accelerazione = aumento di energia

Velocità delle particelle normalizzata alla velocità della luce

in funzione dell’energia

La variazione di velocità è trascurabile al di sopra di

una certa energia!β= v/c

e- relativistici ( ) a E> 1MeVp relativistici a E> 1000 MeV

cv


Equazione che descrive il moto di una particella in un acceleratore

BvEqdt

pd

caricaq

velocitàv

massam

momentop

elettrico campoE

magnetico campoB

ACCELERAZIONE

CURVATURA E FOCHEGGIAMENTO

fascio

Campo elettrico


Tipologia degli acceleratori di particelleI diversi tipi di acceleratori si suddividono in base al processo di accelerazione in:

Lo sviluppo degli acceleratori è avvenuto lungo due binari paralleli

Lineari

Ciclotrone 1930Betatrone 1940 Sincrotrone 1945Microtrone 1946

Circolari

Anche gli acceleratori utilizzati negli esperimenti di Fisica delle alte energie (Collisori o Collider) si distinguono in:

SINCROTRONI, ANELLI DI ACCUMULAZIONE

COLLIDER LINEARI


Primi Acceleratori Lineari Elettrostatici

VqE

PRINCIPIO:La differenza di potenziale tra due

elettrodi viene usata per accelerare le particelle.

catodo

L’energia massima raggiungibile è data dal limite di d.d.p. Oltre tale limite si possono avere scariche

elettriche

Il primo acceleratore fu un apparecchio, realizzato da Roentgen (Premio Nobel), costituito da un’ampolla a vuoto con dentro un catodo connesso al polo negativo di un generatore di tensione. Riscaldato, il catodo, emetteva elettroni che fluivano accelerati dal campo elettrico verso l’anodo (a tensione positiva). Dall’urto con l’anodo gli e- producevano raggi X.

anodo

- +

e-

X

L’esempio più semplice di generatore di e- è un filamento

caldo, come quello di una lampadina

Gli elettroni sono estratti dal catodo e, viaggiando verso l’anodo positivo, acquistano un’energia uguale alla loro carica moltiplicata per

la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo

BvEqdt

pd


Pressurizzando il contenitore dell’acceleratore si possono ottenere differenze di potenziale fino a 15 MV e quindi energie fino a E ~ 15MeV.

Per aumentare l’energia massima delle particelle accelerate Van de Graaff pensò realizzare un generatore elettrostatico nel quale le cariche, per mezzo di una cinghia non conduttrice, venivano trasportate ad un terminale isolato nel quale veniva posta la sorgente di particelle.

APPLICAZIONI

Ad oggi ce ne sono ~350 nel mondo e, tipicamente, V<5MV I<100mA. Sono usati per:

Analisi dei materiali: ad es. Controllo struttura semiconduttori;

emissione raggi X;

Modifica dei materiali:

impiantazione ionica per l’industria dei semiconduttori


Moderni Acceleratori LineariL’idea di Ising (1924) fu applicata da Wideroe (1927) che applicò una tensione variabile nel tempo (sinusoidale) ad una sequenza di tubi di drift. In questo caso le particelle non sentono campo accelerante quando si muovono all’interno di ciascun tubo di drift (regione di spazio equipotenziale) e vengono accelerate in corrispondenza dei gaps. Tali strutture si chiamano LINAC a Tubi di Drift (DTL).

PRINCIPIO:Le particelle emesse da un filamento vengono accelerate dal campo elettrico longitudinale

generato da elettrodi susseguenti.

gap

+

-

Ln-1 Ln+1Lg LgLn

z

Ez

Vkick/Lg

-Vkick/Lg

t = t0

+

-

Ln-1 Ln+1Lg LgLn

z

Ez

Vkick/Lg

-Vkick/Lg

t = t0+ TRF/2

Se la lunghezza dei tubi cresce con la velocità delle particelle in modo tale che il tempo di attraversamento di ciascun tubo sia sempre uguale a mezzo periodo del generatore di tensione, è possibile sincronizzare la tensione accelerante col moto delle particelle ed ottenere un guadagno di energia ∆E=q∆V ad ogni attraversamento di un gap.


...AL LINAC DI ALVAREZDA WIDEROE...

La struttura di Alvarez è molto utilizzata nell’accelerazione di protoni e ioni di medio-bassa energia. Essa può essere descritta come uno speciale DTL in cui gli elettrodi sono parte di una macrostruttura risonante.

Nasce il concetto di accelerazione con cavità RF


Accelerazione con campi elettrici a radiofrequenza

La struttura accelerante consiste in una cavità risonante in cui viene accumulata l’energia di campi elettromagnetici RF. Similmente ai DTL, la struttura deve essere tale che il campo elettrico oscillante sia sincronizzato con fascio.

Dall’idea di Wideroe (1927) di applicare, al posto di un campo elettrico statico, un campo oscillante con frequenza opportuna tale che la fase cambi di π durante il tempo di volo fra due gap successivi si è progressivamente passati al concetto di accelerazione con campi a radiofrequenza.

fascio

Campo elettrico


Il campo accelerante è una sinusoide. Le particelle che arrivano in anticipo rispetto alla “posizione ideale” (detta fase sincrona) verranno accelerate di meno mentre quelle in ritardo vedranno un campo più intenso. Le particelle oscilleranno quindi attorno alla fase corretta raggruppandosi longitudinalmente in pacchetti (bunches)

Principio di stabilità di fase in caso di accelerazione con campi RF

Strutture a onda viaggiante


IL LINAC DI STANFORD (SLAC)


Sincrotroni e anelli di Accumulazione

BvEqdt

pd

E.O.Lawrence (1930) ebbe la brillante idea di curvare le particelle su una traiettoria circolare, facendole ripassare molte volte nello stesso sistema di elettrodi.

PRINCIPIO: Campi magnetici usati per guidare la particelle cariche lungo un’orbita chiusa.

Se una particella relativistica di energia E0 attraversa una zona di campo magnetico B perpendicolare alla sua traiettoria il raggio di curvatura R è:

B

ER 0

Particelle che viaggiano in un acceleratore lineare attraversano una sola volta la struttura accelerante mentre in un acceleratore circolare attraversano più volte la stessa cavità. Ad ogni giro tali pacchetti acquistano energia grazie al campo elettrico accelerante (a radiofrequenza) ma ne perdono a causa della RADIAZIONE DI SINCROTRONE EMESSA nei magneti curvanti.

v = c = 300.000.000 m/sDAΦNE: L=96 m: To ≈ 3.2 x 10-7 s -> in 1 secondo 3 milioni di giriLEP: L=27 Km: To ≈ 1 x 10-4 s -> in 1 secondo 10000 giri


Focheggiamento trasversoIl confinamento dei fasci all’interno della camera da vuoto è realizzato attraverso delle “ lenti magnetiche” dette QUADRUPOLI. Similmente a quanto accade nelle lenti ottiche una particella è tanto più focheggiata quanto maggiore è la sua distanza dall’asse.

Il campo magnetico in un quadrupolo ha una intensità proporzionale allo spostamento dall’asse

Un quadrupolo focheggia il fascio in un piano e lo defocheggia nell’altro. Il focheggiamento complessivo del fascio è realizzato facendo seguire a una lente focheggiante una defocheggiante.

La traiettoria trasversa descritta da ogni particella all’interno del pacchetto è una pseudo-sinusoide. L’ inviluppo all’interno del quale sono confinate tutte le particelle del pacchetto è detto funzione β.


Magneti in un acceleratore circolare

DIPOLI – determinano la traiettoria di riferimentoQUADRUPOLI – mantengono le oscillazioni di tutte le particelle intorno alla traiettoria di riferimentoSESTUPOLI – correggono l’effetto cromatico dei quadrupoli

fascio

Campo elettrico

QUADRUPOLO

Particelle con diversa energia vengono

focalizzate in modo diverso: aberrazione

cromatica

I sestupoli correggono l’effetto cromatico dei quadrupoli


Spazio delle fasi delle particelle

Le particelle di un fascio in un acceleratore non hanno tutte la stessa

energia, posizione, divergenza

L’energia, la posizione e il momento trasverso hanno

distribuzioni tipo “gaussiane”

Generalizzando, il pacchetto di particelle è, nello spazio delle dimensioni (x,x’,y,y’,s,E), una

gaussiana a 6 dimensioni

s

y

x

distribuzione

Direzione di propagazione del fascio s

Coordinata s Ogni piano del tipo (x,x’) oppure (y,y’) viene detto SPAZIO DELLE FASIL’area occupata dalle particelle in ogni spazio delle fasi è detta EMITTANZA


Radiazione di sincrotroneUna particella carica che viaggia lungo una traiettoria curva emette fotoni, la cui energia dipende dalla massa, dall’energia della particella e dal raggio di curvatura della traiettoria

Una particella carica che viaggia lungo una traiettoria curva perde energia.

U 43

ro

mc2 3

E 4

Energia persa per giro

In un anello di accumulazione l’energia persa viene compensata dalle

Cavità a RF

Radiazione ben collimata

1/(E/m0c2)

Raggio di curvatura della traiettoriaMassa

Energia


Emissione di luce di sincrotrone

Energia della particella

32

34

323

4

mc

BEE

mc

rU o

28002800

60866086

14165

11

m

.000007

.00000770007000

p p

LHC

1.51.5

100100

e+ e-

LEP

.0006

.00353.19.0

e+ e-

PEP

.000006

.0000060.510.51

e+ e-

DAΦNE

E/giro(GeV)

E(GeV)

Campo magnetico


Fascio di DAΦNE sul monitor di luce di sincrotrone

Distribuzione trasversa

mm2.0y

mm2x


L’osservazione su “targhetta”

La materia è vuota : ciò che non ha interagito viene perdutoEnergia a disposizione dell’interazione dovuta solo al fascioIl bersaglio è complesso: molte delle particelle prodotte disturbano l’esperimento

sincrotrone

LINAC

bersaglio

e-,e+,p …p, n, etc

rivelatori

Nascita dei moderni Collisori Circolari (Collider)


La geniale idea di Bruno Touschek fu quella di utilizzare come particelle collidenti particelle ed antiparticelle che, nella loro annichilazione, avrebbero rilasciato tutta la loro energia per creare nuove particelle.

L’idea di Touschek:collisioni materia-antimateria

Frascati

Anello di Accumulazione

212 mEECM

EECM 2

Rivelatore


FRASCATI - 1961-1965

Registrazione dei primi elettroni accumulati in AdA.La vita media era 21 sec,il numero medio 2.3

AdA (Anello di Accumulazione)


I COLLIDERS materia-antimateria: una storia che parte e si sviluppa a Frascati

ADA a Frascati 1959ADONE a Frascati 1969-1993

DAFNE


Dove si prende l’antimateria?L’universo, il nostro mondo sono formati da materia: elettroni, protoni, neutroni,…

I positroni, predetti nel 1927 da un matematico (Dirac), misurati qualche anno dopo in un esperimento con raggi cosmici (Andersen), adesso si producono in laboratorio. (Così anche gli antiprotoni, l’antimateria dei protoni, anche se la loro produzione e manipolazione è più complessa)

Sorgente di positroni di DAΦNE

LINAC per e- LINAC per e+

Targhetta di Tungsteno

Lente focheggianteAlti campi magnetici


Luminosità

• la luminosità L di un collider è una misura di quante interazioni fascio-fascio stiamo producendo

collisioneyx

ee

fNN

L

4

Numero di particelle per fascio

Dimensioni trasverse dei fasci:Si può arrivare a pochi (millesimi di mm)

Per aumentare la luminosità si aumenta la

densità dei fasci

[Cm -2 sec -1 ]

β


Luminosità





densità dei fasci

[Cm -2 sec -1 ]

β

collisioneyx

ee

fNN

L

4


Luminosità





densità dei fasci

[Cm -2 sec -1 ]

β

collisioneyx

ee

fNN

L

4


Luminosità





densità dei fasci

[Cm -2 sec -1 ]

β

collisioneyx

ee

fNN

L

4


Luminosità





densità dei fasci

[Cm -2 sec -1 ]

β

collisioneyx

ee

fNN

L

4


Luminosità





densità dei fasci

[Cm -2 sec -1 ]

β

collisioneyx

ee

fNN

L

4


Luminosità





densità dei fasci

[Cm -2 sec -1 ]

β

collisioneyx

ee

fNN

L

4


Sezione d’urto

la sezione d’urto σ di un determinato evento è proporzionale alla probabilità che l’evento avvenga

si misura in cm2

Lσ = frequenza con cui accadono gli eventi cercati [si misura in s-1]

Due particelle che collidono possono produrre tipi diversi di eventi, alcuni più probabili di altri

Esempio: produzione di Ф a DA Ф NE

collisioneyx

ee

fNN

L4

frequenza degli eventi L σ =300 eventi/s

~2.1010

~300.000.000 s-1 (100 pacchetti)

1 mm 10 m

1032 cm-2 s-1

~ 3 ·10-30 cm2


Ф factory: DA Ф NE ai LNF


IL complesso di DAΦNE è formato da tre elementi:(1) il LINAC;(2) l’accumulatore;(3) i due anelli principali.(4) tre linee di luce di sincrotrone

Le strutture sono state completate nel 1997 e le prime collisioni sono avvenute nel marzo 1998.


FINUDA

DAΦNEDAΦNE


Luminosità di DAΦNE


e+ e-

KLOE e+ e-

e+e-

SPLITTER SPLITTER

SPLITTER SPLITTER

IP1

IP2

DHS

WIGGLER

DHR

DHR

WIGGLER

DHS

DEAR

Ecm = 1019 MeVΘ= 33 mradC = 96.27 m

IP2


Super factories


Medicina

Analisi molecolare, cellulare, cristallografica (anelli per luce di sincrotrone, FEL)

Impiantazione ionica

Radioterapia

Adroterapia

Industria

Altre applicazioni

Sterilizzazione di materiali

Smaltimento scorie radioattive


Acceleratori nel mondoGli acceleratori usati per la ricerca pura

sono costruiti ai limiti della

tecnologia attuale e sono anch’essi

ricerca tecnologica.

CATEGORIA NUMERO

Impiantazioni ioniche 7000

Altri acceleratori nell’industria 1500

Acceleratori in ricerca non-nucleare

1000

Radioterapia 5000

Produzione di isotopi per medicina

200

Adroterapia 20

Sorgenti di luce di sincrotrone 70

Ricerca nuceare e subnucleare 110

TOTALE 15000


Medicina: RadioterapiaRadiazione su cellule tumorali:

molto localizzata, dose controllata.I raggi X sono il trattamento per ora

più usato.


Terapia con protoni e ioni pesanti più efficace e più localizzata (risonanza di Bragg)Centri in funzione: PSI a Zurigo, Loma Linda in California, Giappone,…In costruzione con la collaborazione dell’INFN e LNF: CNAO a Pavia

Medicina: Adroterapia


Analisi molecolare, cellulare, cristallografica (Anelli per luce di sincrotrone)


SLS (Svizzera)

Elettra (Trieste)

ESRF (Francia)


Acceleratori Lineari e- per i Free Electron Lasers (FEL)

I Laser ad Elettroni Liberi sono potenti sorgenti di radiazione elettromagnetica coerente (microonde, UV, raggi X) con alta potenza di picco e alta brillanza (ordini di grandezza superiori agli anelli di luce di sincrotrone).

PRINCIPIO del FEL-SASE (=Self Amplified Spontaneous Emission) : Un linac ad e- accelera pacchetti di elettroni di alta qualità (brillanza) che entrando nell’ondulatore generano radiazione EM coerente, con un’amplificazione esponenziale.

bassa emittanza piccolo energy spread altissima densità di carica


Free Electron Lasers: applicazioni

INFN sta realizzando un progetto in collaborazione con ENEA e CNR per la costruzione di un FEL

aumentare potenza media(per λ nell’ IR-UV)

Applicazioni mediche e

industriali

diminuire la lunghezza d’onda(λ-> raggi X)

Struttura della materia,ad es. Dinamica delle molecole,

reazioni chimiche

Notevole interesse per il loro sviluppo


LEP al CERN di Ginevra 1988-2001

Il collisore e+e- a più alta energia: ECM=209 GeV, Circonferenza ~ 27 Km

Alcuni Acceleratori nel mondo...


In fase di costruzione LHC: collisore pp al posto del LEP: ECM=14 TeV


IL TEVATRON AL FERMILAB- Chicago

Il collisore pp a più alta energia: 2 TeV-


Beauty-Factory: Stanford Linear Accelerator Center

Due anelli di accumulazione di

e+/e- uno sopra l’altro.

ECM~ 10 GeV

L’annichilazione di e+/e- produce quarks-b, il cui decadimento è di interesse per i fisici sperimentali.

circonferenza=2.2Km

Linac L~ 3Km


…e progetti futuri (per la ricerca fondamentale)

Linear collidersArrivare a energie dell’ordine del TeV per e+e-

10 volte di più del LEP

ECM= 1 TeV L=33 Km



Factories

Arrivare a luminosità 10 volte maggiori delle presenti

Accelerazione di altre particelle p. es. μ


Matematica

FISICA DEGLI ACCELERATORI

Elettromagnetismo:RF, microonde

Elettronica:Diagnostica del

fascio di particelle,

alimentatori

Fisica della materia:

fotoemissione

Informatica:controlli

Superconduttività:

Cavità, magneti

Tecnica dell’alto vuoto

Lasers

Ingegneria Meccanica:

Progettazione, allineamenti,raffreddament

o

Dinamica relativistica

Teoria dei segnali Fisica relativistica


BIBLIOGRAFIA

Divulgativi – adatti ai ragazzi

http://microcosm.web.cern.ch/Microcosm/ital/accel.htmlhttp://www2.slac.stanford.edu/vvc/accelerator.html

Livello universitario

http://www.fieldp.com/cpa/cpa.htmlhttp://cas.web.cern.ch/cas/CAS_Proceedings.html

Alcuni Testi Consigliati

R.Feynman, “La Fisica di Feynman”, Vol. 2, Addison Wesley, 1970.

R.Wilson e R.Littauer, "Acceleratori di particelle", Zanichelli, 1988

E. Wilson, "An introduction to particle accelerators", Oxford University Press (Oxford), 2001

M. Sands, "The Physics of electron Storage Rings: an Introduction", SLAC-0121, Nov 1970. 172pp.(scaricabile dal sito SLAC http://www-library.desy.de/spires/hep/)

GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

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