Microscopi dell'invisibile

11. Acceleratori per la ricerca

percorso di Silvia Miozzi

I campi di ricerca più variegati sfruttano le particelle accelerate, qui ci limitiamo ad enumerarne alcuni.

Gli acceleratori di particelle svolgono un ruolo chiave nella ricerca applicata alla scienza dei materiali, per la quale forniscono fasci intensi di fotoni (luce di sincrotrone), neutroni e ioni che consentono, attraverso l’utilizzo di potenti tecniche di diffrazione e spettroscopia, lo studio delle caratteristiche dei campioni più vari.

Una delle tecniche più efficaci per lo studio dei materiali solidi è la cristallografia a raggi X, un procedimento mediante il quale è possibile esaminare la disposizione degli atomi in un solido. L’uso della radiazione di sincrotrone ha consentito un notevole progresso nella ricerca in fisica della materia condensata e fisica dello stato solido influenzando positivamente lo sviluppo di  numerosi settori come, ad esempio, quello fotovoltaico, dei semiconduttori e del combustibile a idrogeno, per citarne alcuni.
Un altro esempio dell’applicazione della radiazione di sincrotrone ai materiali è lo sviluppo di polimeri super assorbenti come quelli utilizzati per realizzare pannolini per i bambini e  mascherine protettive.
La radiazione di sincrotrone viene largamente utilizzata nella ricerca in biologia per analizzare la struttura delle proteine in studi dedicati in particolare alle funzioni cerebrali. Con un intenso fascio di raggi X è infatti possibile ottenere immagini dettagliate come fotografie di  molecole e proteine durante la loro attività. 

 proteina

Immagine di una proteina vista con la luce di sincrotrone

Fasci di neutroni possono essere utilizzati per sondare la struttura dei  materiali perché, essendo privi di carica, possono penetrare in profondità senza distruggere il materiale stesso. Il modo in cui i neutroni si diffondono urtando contro i nuclei fornisce informazioni uniche sulla struttura del materiale. Il fascio di neutroni viene creato per spallazione nucleare, un processo attraverso il quale un nucleo pesante si frantuma in  una grande quantità di nuclei più leggeri a seguito di collisione con una particella ad alta energia.
A tale scopo vengono impiegati fasci di protoni accelerati ad un energia superiore a 100 MeV e  inviati su un bersaglio di un metallo  pesante come mercurio o tantalio. Se uno dei protoni riesce a penetrare nel nucleo di uno degli atomi del metallo origina una serie di collisioni tra i neutroni e i protoni che possono essere espulsi dando origine ad una cascata. Se questi poi hanno energie sufficientemente elevate possono colpire altri nuclei amplificando il processo di cascata. Se l’energia dei protoni iniziali è di 1 GeV possono essere prodotti fino a 20-30 neutroni per protone incidente.

Vogliamo ricordare che la spallazione nucleare è uno dei principali processi per la produzione di nuclei leggeri nei raggi cosmici.

Gli acceleratori sono anche uno strumento molto potente per simulare l’esposizione a vari tipi di radiazione sia su materiali da impiegare per esempio nella costruzione di reattori nucleari, sia su cellule coltivate in vitro per studiare gli effetti sull’uomo (radiobiologia).
Intensi fasci di vari tipi di radiazione sono utilizzati per simulare l’effetto della radiazione cosmica che colpisce uomini e cose quando si trovano al di fuori dello schermo fornito dall’atmosfera. L’utilizzo dei satelliti dipende in maniera critica dall’affidabilità della strumentazione in orbita e dalla sua resistenza alla radiazione nello spazio. Insomma, se possiamo vedere in diretta un evento sportivo che si svolge a migliaia di Km di distanza è anche grazie ad un acceleratore di particelle.

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