Un pò di storia della luce di sincrotrone: una scoperta per caso

Approfondimento a cura di Gianfelice Cinque

La scoperta della radiazione emessa dagli acceleratori di particelle, tra cui i sincrotroni, ha una storia curiosa. L’idea che una carica elettrica accelerata, per esempio mentre percorre una traiettoria curva, emetta energia risale alla fine del 1800: in quel periodo Larmor formalizzò l’idea scrivendo che la potenza irradiata P è proporzionale sia all’accelerazione a che alla carica elettrica q della particella in moto (non relativistico, cioè a velocità v molto più piccola rispetto a quella della luce c = 300000 km/sec):

P = q²·(1/6πε₀)·a²/c³

dove il fattore di proporzionalità tra parentesi è una costante fisica per lo spazio vuoto. Naturalmente l’energia rilasciata per unità di tempo è sotto forma di onde elettromagnetiche, della stessa natura quindi di quelle emesse da qualsiasi antenna radio, forno a micro-onde o telecomando. Liénard qualche anno dopo si occupò del caso di cariche elettriche relativistiche in traiettorie circolari, caso per cui la nuova formula teorica per la potenza emessa diventa meno “facile” a prima vista.

Negli oltre 30 anni successivi nessuno si mise verificare sperimentalmente le previsioni teoriche fino alla fine della seconda guerra mondiale, quando ci fu un forte sviluppo degli acceleratori di particelle soprattutto negli Stati Uniti d’America a fini di ricerca in fisica. In pratica, si presentò il problema che, per portare gli elettroni ad energie più alte, bisognava spendere sempre più energia (letteralmente dalla rete elettrica) per accelerare le particelle. E ci si ricordò dell`irraggiamento di onde elettromagnetiche da parte di cariche elettriche accelerate: in particolare la potenza emessa P per esempio da un elettrone dipende dall’energia cinetica E (ovvero dalla velocità) che possiede, ma dipende inversamente dal raggio della circonferenza R che percorre:

P proporzionale a E⁴/R²

da cui si ricava il perchè per dissipare poca potenza (P piccolo) gli acceleratori di alta energia (E grande) devono avere grandi dimensioni (R grande). A parte l`evidenza pratica della maggiore energia elettrica da spendere e gli studi teorici che prevedevano l’effetto, tutti i tentativi di misurare le onde elettromagnetiche emesse dal tipo di acceleratori allora in uso andò male.

Nel 1947 ai laboratori della General Electric vicino a New York decisero di costruire un nuovo acceleratore, un sincrotrone di energia 70 MeV (in cui un elettrone è come fosse accelerato da un campo elettrico di 70 milioni di Volt) al posto del precedente betatrone: tra le tante differenze la vecchia macchina aveva una “ciambella” in cui circolavano gli elettroni opaca alla luce, mentre nella nuova si presentava come un tubo metallico con alcuni oblò di vetro. Qui, con la macchina funzionante e da dietro il muro di schermo, un tecnico osservò con la coda dell’occhio un bagliore e, letteralmente, corse a spegnere il sincrotrone per evitare i danni dell’ “arco [elettrico] nel tubo”: quella che pensava una scarica elettrica per qualcosa di rotto nel tubo era la prima osservazione sperimentale della luce di sincrotrone. Le onda elettromagnetiche emesse dagli elettroni “in curva” esistevano, dunque, ma nessun si aspettava che fossero di così alta energia da risultare luce visibile; curiosamente fino ad allora avevano cercato solo onde radio e microonde nei betatroni, ma non potevano accorgersi della luce perchè la “ciambella” era completamente opaca.

Successivamente all’aumentare dell’energia degli acceleratori si è arrivati all’emissione di raggi X, e qui la radiazione di sincrotrone ha iniziato la sua storia fino ai giorni nostri, in cui si costruiscono molti sincrotroni dedicati solamente a produrre onde elettromagnetiche dall’infrarosso ai raggi X.

La macchia luminosa al centro è prima luce di sincrotrone fotografata nel 1947 al sincrotrone da 70 MeV dei General Electric Research Laboratory a Schenektady, New York (figura tratta da A. L. Robinson, “History of Synchrotron Radiation”, URL http://xdb.lbl.gov/Section2/Sec_2-2.html ).

Un fascio di radiazione X da sincrotrone è così intenso da ionizzare l`aria al suo passaggio e renderla luminescente (figura dall”European Synchrotron Radiation Facility” di Grenoble, URL http://www.esrf.fr/AboutUs/AboutSynchrotron/).