Cosa sono gli acceleratori di particelle? (Flavia F.)
Gli acceleratori di particelle sono macchine tecnologicamente complesse che utilizzano campi elettrici e magnetici per accelerare particelle cariche. I vari tipi di acceleratori si differenziano per tipo di particelle accelerate e per utilizzo, ma tutti si basano sugli stessi principi di funzionamento. L’equazione basilare è quella che descrive il moto di una particella carica in un campo elettrico e magnetico: l’equazione di Lorentz, che prende il nome dal fisico olandese Hendrik Antoon Lorentz, premio Nobel per la fisica nel 1902:
Formula di Lorentz
in questa formula q è la carica elettrica della particella, E il campo elettrico (se presente), B il campo magnetico (se presente) e v la velocità della particella. La soluzione di questa equazione descrive il moto della particella. Una particella carica, in moto in un campo magnetico, percorre una traiettoria elicoidale:
Una particella in campo magnetico segue una traiettoria elicoidale
In un acceleratore, sono i campi elettrici quelli che forniscono energia alla particella, aumentandone la velocità, mentre i campi magnetici sono utilizzati per imbrigliarla nella traiettoria voluta. Se hai visto un vecchio televisore a tubi catodici, hai anche visto un acceleratore di particelle casalingo. In quel caso ad essere accelerato da un campo elettrocio è un piccolo fascio di elettroni che va ad “illuminare” lo schermo, mentre i campi magnetici sono usati per mettere a fuoco, come se fosse una lente d’ingrandimento, il fascio di elettroni.
A sinistra il tubo catodico di un vecchio televisore, a destra il suo schema di funzionamento.
I due tipi fondamentali di magneti, in un acceleratore di particelle, sono i dipoli (per curvare la traiettoria), ed i quadrupoli (che funzionano come delle lenti per mettere a fuoco il fascio). Potenti campi elettrici, generati in appositi apparati (cavità a radiofrequenza) provvedono ad accelerare le particelle. Le particelle stesse sono contenute in un tubo dove è stato fatto il vuoto, per evitare che queste si scontrino con gli atomi dell’aria.
Gli acceleratori più semplici sono quelli lineari, molto simili al vecchio televisore. Come indicato dal nome, il fascio di particelle è accelerato da una seguenza di cavità a radiofrequenza disposte in una linea retta. In teoria si può costruire un acceleratore sempre più lungo, per avere energie sempre più elevate. In pratica questa non è una modo ottimale di raggiungere energie elevate, e quindi nella fisica delle particelle elementari, a questo scopo, si utilizzano acceleratori circolari nei quali le particelle, grazie ai campi magnetici, sono costrette su orbite prefissate dove si trovano le cavità a radiofrequenza che forniscono una spinta ad ogni passaggio, fino a raggiungere l’energia desiderata. In questo modo, ad esempio, fasci di protoni sono accelerati nel Lhc del CERN ad una velocità prossima a quella della luce nel vuoto (0.99999999 c).
Gli acceleratori sono usati nella ricerca in fisica delle particelle dagli anni ’30 del secolo scorso. La prima modalità di utilizzo è stata quella di accelerare un fascio per poi mandarlo a sbattere contro un bersaglio. A causa della composizione relativistica delle velocità è però più efficente, per raggiungere altissime energie, accelerare un fascio di particelle e mandarlo a sbattere contro un altro fascio come, ad esempio, si fa all’Lhc al CERN dove due fasci di protoni vengono fatti scontrare in apposite zone (i punti di interazione), attorno ai quali sono costruiti gli apparati sperimentali che studiano quello che succede in questi scontri. In questo i fasci di protoni si muovono in direzioni opposte in un tubo a vuoto del diametro di 27 Km, attorno al quale sono disposti magneti e cavità a radiofrequenze. Gli acceleratori di particelle non sono utilizzati solo nella ricerca in fisica, anzi. Potendo accelerare qualsiasi particella microscopica carica (elettroni, protoni ma anche ioni), sono uno strumento estremamente versatile. In effetti la maggior parte sono utilizzati nell’industria (soprattutto elettronica) e negli ospedali, senza dimenticare i beni culturali. La tabella riporta una stima del 2002 dei tipi di acceleratori in funzione in tutto il mondo.
Gli acceleratori di particelle non sono solo uno strumento estremamente complesso per esplorare l’infinitamente piccolo, sono essi stessi oggetto di ricerca di una branca della fisica che studia il comportamento delle particelle elementari in queste condizioni estreme, e sviluppa le tecnologie necessarie. Uno dei più affascinanti progressi degli ultimi anni è l’accelerazione di fasci di particelle utilizzando fasci laser, con l’obiettivo di costruire macchine che in pochi metri portino le particelle ad energie come quelle di Lhc.
Per approfondire ti suggeriamo il numero 6 della nostra rivista Asimmetrie ed il percorso di SxT in A Scuola con Voi.
revisione G. Chiarelli marzo 2020