Gli acceleratori di particelle Vengono presentate le principali tecniche di accelerazione di particelle con particolare riferimento al loro uso per ricerche

Gli acceleratori di particelle

Vengono presentate le principali tecniche di accelerazione di particelle con particolare riferimento al loro uso per ricerche di Fisica fondamentale al CERN

Luciano RamelloUniversita’ del Piemonte Orientale

dicembre 2006 L. Ramello 2

Questa conferenza puo’ essere abbinata alla seguente:

Particelle elementari ed esperimenti al CERN Vengono presentate le conoscenze

attuali sulle particelle elementari che costituiscono la materia, nonchè alcuni esperimenti completati recentemente al CERN, ed altri di prossima realizzazione al LHC, tra cui l’esperimento ALICE

In questa conferenza dovro’ comunque fare riferimento alla fisica nucleare-particellare, che costituisce la motivazione fondamentale per lo sviluppo degli acceleratori.


Sommario

Perche’ accelerare le particelle ? Prima degli acceleratori:

Atomi e nuclei 1896-1927 Primi sviluppi 1928-1945

Acceleratori elettrostatici Il ciclotrone

L’era degli acceleratori 1946-… Il sincrotrone Anelli di accumulazione Applicazioni: non solo ricerca di base


La scienza risponde ai perché Quando ci chiediamo: ”perché accade una certa

cosa ?”, ci sono due interpretazioni possibili: Quali precedenti circostanze hanno causato

il fenomeno ?(Come funziona ? Di che cosa è fatto ? Cosa c’è dentro ?)Esempio: perché i pianeti girano intorno al sole? La scienza risponde a questo tipo di domande

A quale scopo il fenomeno accade ? (Questa cosa a che serve?)Esempio: a cosa servono i pianeti? Perché esistono?Per rispondere a questa domanda occorre avere una causa finale. La scienza non sa e non può rispondere a questa domanda. È’ il campo della filosofia e/o della religione.


Come facciamo a vedere gli atomi ?

Gli atomi (e i nuclei, a maggior

ragione) sono troppo

piccoli per essere visti con gli occhi ...

... si “bombardano” con delle particelle più piccole e si osserva come “rimbalzano” quando colpiscono l’atomo / il nucleo


Perché accelerare le particelle ?

Visione con una lampada e gli occhi.

Visione con un acceleratore ed un rivelatore di particelle.

Aumentando l’energia della particella migliora la risoluzione con la quale si “vede” l’oggetto


Prima degli acceleratori

A partire da fine ’800 lo studio della scarica elettrica nei gas porto’ alle prime scoperte sulla struttura atomica e nucleare: Roentgen (1895) raggi X Becquerel (1896) radioattivita’ naturale (U) J. J. Thomson (1896) elettrone M. Curie (1898) elementi radioattivi Ra e Po Rutherford, Soddy (1903) teoria del decadimento

radioattivo

1a particella identificata

I primi proiettili utilizzati per sondare l’atomo erano: elettroni accelerati da campi elettrici, raggi e prodotti da decadimenti radioattivi naturali


L’esperimento di Rutherford (1911)

Rutherford, Geiger e Mardsen bombardarono con particelle α (nuclei di elio) una sottile lamina d’oro ed osservarono le particelle α deflesse su uno schermo scintillante:

Sorgente di α

Lamina d’oro

microscopio

una volta su 20000 le α avevano un angolo di diffusione > 90º

punto di partenza per ilmodello planetario dell’atomo (Rutherford) e il primo modelloquantistico (Bohr, 1913)

Le particelle α (He++) sono fortemente ionizzanti e quindi poco penetranti (pochi cm di aria), le loro energie vanno da 1 a 5 MeV


La prima reazione nucleare

α+14N→17O+pmisurando le velocita’ delle particelle coinvolte, Rutherford (1919) dimostro’ che uno dei due prodotti era una particella di massa all’incirca uguale a quella dell’atomo di idrogeno, che venne chiamata protone 2a particella identificata

Presto divenne chiaro che le particelle α, a causa dell’energia limitata (5 MeV) e della repulsione dovuta alla loro carica (+2e), non erano i proiettili piu’ adatti a studiare i nuclei.Inizio’ quindi lo sviluppo dei primi acceleratori di protoni / ioni leggeri.


Primi sviluppi degli acceleratori

1927 E. Rutherford disse alla Royal Society: “... if it were possible in the laboratory to have a supply of electrons and atoms of matter in general, of which the individual energy of motion is greater even than that of the alfa particle, .... this would open up an extraordinary new field of investigation....”

Ma gli unici dispositivi all’epoca erano tubi a raggi X che acceleravano elettroni fino a qualche centinaio di keV

1929 G. Gamow dimostro’ che in meccanica quantistica esiste una probabilita’ non nulla che una particella di energia 1 MeV superi per “effetto tunnel” la barriera repulsiva Coulombiana dei nuclei leggeri

Questo incoraggio’ J. Cockroft ed E. Walton (collaboratori di Rutherford) a studiare metodi per accelerare fasci di particelle fino a qualche centinaio di keV:

nel 1932 costruirono il primo vero acceleratore con un fascio collimato di protoni a 400 keV


L’acceleratore di Cockroft e Walton

Energia cinetica:

T = q V

Tecnologia:- Alta tensione- Colonna a vuoto

Limiti:

Scarica in ariaTensioni disponibili


Prima reazione nucleare da protoni

Fascio di protoni da 250-400 keV

p+7Li → +

L’energia cinetica totale delle due particelle e’ circa 17 MeV

La differenza di massa moltiplicata per c2 e’ 14.3 ± 2.7 MeV


Il moltiplicatore di tensione C-W


L’acceleratore Van de GraaffPer ottenere energie piu’ elevate: nuove idee per i sistemi di carica e di isolamento

Una cinghia isolante raccoglie le cariche attraverso un “pettine” da un terminale e le trasferisce all’interno di una sfera conduttrice cava

Alte tensioni ottenute:dapprima 5 MV,poi fino a 25 MV


Accelerazione multiplaUna tensione alternata viene comunicata ai “tubi a deriva” 1,2,3, …- all’interno di un tubo la particella si muove a velocita’ costante- tra due tubi viene accelerata- i tubi devono essere via via piu’ lunghi per mantenere il sincronismo con la fase della tensione alternata


Prototipi di acceleratore lineareWideroe nel 1927 realizza il primo prototipo con due sezioni che accelera ioni fino a 50 kV con un generatore da 25 kV, 50 Hz

Sloan e Lawrence nel 1931 realizzano un acceleratore con 20 sezioniche accelera ioni Hg+ fino a 1.26 MV


Un acceleratore lineare del CERN

LINAC di Alvarez: radiofrequenza ~ centinaia di MHz


L’idea del ciclotrone E.O. Lawrence nel 1929 leggendo un articolo di Wideroe

ha l’idea di usare lo stesso “gap” molte volte facendo curvare la traiettoria delle particelle con un campo magnetico (invece di usare molti “gap”)

Elettrodo cavo a forma di “D”

Linee di forza del campo elettrico

Linee di forza del campo magnetico

frequenza angolare del ciclotrone: = eB / mc [rad/s]

non dipende dal raggio di curvatura


La repubblica del ciclotrone

anno dim. $ E, MeV

1930 4” 25

1931 11” 800 1.1

1932 27” 10K

1937 37” 8

1939 60” 20

1946 184” 1.5M 200E.O. Lawrence ottiene il premio Nobel nel 1939


Scoperte mancate (a Berkeley) …

Nei primi anni del ciclotrone Lawrence era essenzialmente preoccupato dal progetto della macchina e non curo’ molto gli esperimenti

Percio’ gli sfuggirono alcune scoperte di fenomeni che fu in grado di riprodurre con il ciclotrone poche ore dopo l’annuncio: Radioattivita’ artificiale Radioattivita’ indotta da neutroni Fissione dell’uranio indotta da neutroni


La radioattivita’ artificiale Irène Curie e Frédéric Joliot,

Parigi, gennaio 1934

Po Al e

L'emissione di positroni persiste anche dopo l'allontanamento della sorgente AlP n

Pisotopo stabile

Pisotopo radioattivo non esistente in natura


Radioattivita’ indotta da neutroni

Fermi e collaboratori, Roma, 1934

Rn-Be ZXAn

emissione

radioattiva

62 elementi irradiati

in 37 almeno un nuovo prodotto radioattivo

50 nuovi radionuclidi identificati con la vita media

di 16 identificata la natura chimica


I neutroni lenti

Fermi e collaboratori, 22 ottobre 1934

Rn-Be H

sostanza idrogenata(paraffina, acqua,

ecc.)

neutroni veloci

neutroni lenti

Ag

L'intensità dell'attivazione aumenta di un fattore che L'intensità dell'attivazione aumenta di un fattore che varia da alcune decine ad alcune centinaia.varia da alcune decine ad alcune centinaia.


La fissione dell’uranio

Hahn e Strassmann (Berlino, 1938) trovano che l'uranio irradiato con neutroni produce quattro isotopi del radio la cui formazione può essere spiegata solo in modo molto problematico ... “Dobbiamo concludere che i nostri 'isotopi del radio' hanno le caratteristiche chimiche del bario” (22 dicembre 1938, pubblicato su Die Natürwissenschaften il 6 gennaio 1939)

Durante le vacanze di Natale in Svezia, Lise Meitner e Otto Frisch si rendono conto che il processo di fissione deve dare luogo a due nuclei con Z 40-50 (bario, lantanio, ...) ed energia cinetica totale 200 MeV

L. Meitner, O. Frisch Nature, 11 febbraio 1939

O. Frisch Nature, 18 febbraio 1939


… e scoperte fatte a Berkeley Elemento Z=43 Tc (1937) con E. Segre’ (primo

elemento artificiale) Elemento Z=93 Np (1940) Elemento Z=94 Pu (1941) fissionabile Sintesi del 14C (radiocarbonio) Produzione di radioisotopi per uso medico Produzione di mesoni (1948)

Inoltre a Berkeley durante e dopo la II guerra mondiale maturanonuove idee di acceleratori:- l’acceleratore lineare di Alvarez (LINAC)- il sincrociclotrone (diminuzione della radiofrequenza all’aumentare dell’energia dei protoni, necessaria per E > 20 MeV)- il sincrotrone che sfrutta il principio della stabilita’ di fase (McMillan, 1946; indip. Veksler in Unione Sovietica, 1945)


La stabilita’ di fase

Problema: le particelle del fascio non hanno esattamente la stessaenergia, quelle di energia minore (maggiore) della media tendono a portarsi su una orbita con raggio di curvatura minore (maggiore) e arrivano sfasate al giro successivo

La particella e’ sull’orbita centrale e resta sempre in fase;La particella e’ in ritardo: trova una ddp minore, la suavelocita’ angolare aumenta e al giro successivo recupera una parte del ritardo.

Aumentando lentamente il campo magnetico a raggio di curvaturae frequenza costanti si aumenta l’energia del fascio


Principio del sincrotrone


Primi sincrotroni (weak focusing)

Sincrotrone a protoni da 3 GeVal Brookhaven National Laboratory(Long Island, NY)

Sincrotrone a elettroni da 1 GeV a Frascati


I dipoli di curvatura

I: corrente negli avvolgimenti del magneteB: campo magneticov: velocita’ della particellaF: forza di Lorentz: raggio dell’orbita

I magneti dipolari di curvatura servono a mantenere una traiettoria circolare, per applicare molte volte il campo elettrico delle cavita’ a radiofrequenza (RF)


I quadrupoli di focalizzazione

Le componenti x e y della forza diLorentz che agisce su una particelladi carica positiva entrante nel pianodel disegno sono:

Fx = -g xFy = g y

La forza aumenta linearmente con lospostamento dalla traiettoria ideale.L’effetto e’ focalizzante nel pianoorizzontale (H) ma defocalizzantein quello verticale (V) … come fare ?


Focalizzazione forte

L’effetto di una “lente” magnetica (quadrupolo) defocalizzante seguita da una focalizzante e’ complessivamente focalizzante

La focalizzazione forte e’ stata inventata da Christofilose da Courant, Livingston e Snyder (1950-1952)


Anelli di accumulazione Wideroe nel 1943 propone di utilizzare collisioni

frontali di due fasci per sfruttare al meglio l’energia cinetica disponibile

Kerst, O’Neill e altri nel 1956, visti i progressi nell’intensita’ dei fasci prodotti dai sincrotroni, propongono collisioni p-p ed e-e

Nel 1957 O’Neill e altri iniziano il progetto del Princeton-Stanford e-e- Collider, che ottiene i primi fasci accumulati nel 1962 con 500 MeV per fascio

B. Touschek a Frascati propone nel 1960 il primo Anello di Accumulazione e+e- “AdA”, utilizzando come iniettore l’elettrosincrotrone da 1.1 GeV (e in seguito il sincrotrone da 2 GeV di Orsay)


Ada a Frascati e ad Orsay

Primi elettroni e positroni circolanti in Ada dopo un soloanno dal seminario di B. Touschek

Dopo che l’intensita’ del fascio fornito dal sincrotrone di Frascati si era rivelata insufficiente, AdA fu trasportato a Orsay per utilizzare come iniettore il sincrotrone da 2 GeV


ADONE a Frascati

Progetto iniziato nel 1961Inizio costruzione nel 1963Primi risultati di fisica nel 1968Molti problemi di fisica degli acceleratori (instabilita’) affrontati e risoltiEnergia: 1.5 + 1.5 GeV


L’anello ISR (p-p) al CERN

Primo anello di accumulazione p-pProgetto iniziato nel 1965In funzione nel 1971Energia: 31 + 31 GeVCorrenti record: 57 A per fascio

S. Van der Meer invento’ per l’ISR il raffreddamento stocastico (tecnica per smorzare le fluttuazioni casuali di densita’ del fascio)che venne poi utilizzato nel collisionatore protone-antiprotone del CERN (S. Van der Meer ottenne il premio Nobel nel 1984 con C. Rubbia)


L’anello LEP al CERN (1989-2000)


Le cavita’ a radiofrequenza di LEP


Il complesso di acceleratori al CERN

Il tunnel del LEP (Large Electron Positron collider) viene riutilizzato per far collidere protoni oppure ioni pesanti nel Large Hadron Collider (LHC)


I magneti di curvatura di LHC


Sviluppo degli anelli di accumulazione

Energ

ia n

el ce

ntr

o d

i m

ass

a

anno di messa in funzione

LHC al CERN: primi fasci p-pprevisti nell’autunno 2007,primi fasci Pb-Pb nel 2008

Il prossimo acceleratore dialta energia sara’ e+e-,probabilmente l’InternationalLinear Collider (ILC)


Acceleratori: oltre la ricerca …

I sistemi di accelerazione dedicati alla ricerca sono solo il 6.7% del totale, la maggioranza e’ dedicata alla medicina e all’industria


La luce di sincrotroneGli elettroni accelerati su traiettoriecurvilinee emettono fotoni con uno spettrocontinuo di energie, la “luce di sincrotrone”

L’anello ELETTRApresso Trieste

I fasci molto intensi difotoni che emergonodalle varie “inserzioni”sull’anello vengono usati per studi sui materiali,sulla fisica medica, etc.


Progressi della protonterapia


Centri di adroterapia nel mondo


Risultati ottenuti con acceleratori

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