Un acceleratore di particelle
Sei consapevole del fatto che in realtà hai un tipo di acceleratore di particelle in casa proprio adesso? In effetti, è probabile che tu stia leggendo questo articolo proprio con uno! Il tubo a raggi catodici (CRT) di qualsiasi TV o monitor del computer è in realtà un acceleratore di particelle.
Il CRT prende particelle (elettroni) dal catodo, le accelera e ne cambia la direzione utilizzando elettromagneti in vuoto e poi le fa collide con le molecole di fosforo sullo schermo. La collisione produce una macchia luminosa, o pixel, sul tuo TV o monitor del computer.
Un acceleratore di particelle funziona nello stesso modo, ad eccezione del fatto che sono molto più grandi, le particelle si muovono molto più velocemente (vicino alla velocità della luce) e la collisione produce molte più particelle subatomiche e vari tipi di radiazione nucleare. Le particelle vengono accelerate da onde elettromagnetiche all’interno del dispositivo, allo stesso modo in cui un surfista viene spinto dall’onda. Più energetiche possiamo rendere le particelle, migliore sarà la nostra visione della struttura della materia. È come rompere il triangolo in una partita a biliardo. Quando la palla da biliardo (particella energizzata) si muove più velocemente, riceve più energia e può quindi meglio diffondere le altre palline (rilasciare più particelle).
Gli acceleratori di particelle si suddividono in due tipi fondamentali: acceleratori lineari – le particelle viaggiano lungo un lungo e rettilineo tracciato e collidono con il bersaglio; acceleratori circolari – le particelle viaggiano intorno in un cerchio finché non collidono con il bersaglio.
Negli acceleratori lineari, le particelle viaggiano in vuoto lungo un lungo tubo di rame. Gli elettroni cavalcano onde generate da generatori di onde chiamati klystron. Elettromagneti mantengono le particelle confinate in un fascio stretto. Quando il fascio di particelle colpisce un bersaglio alla fine del tunnel, vari rilevatori registrano gli eventi: le particelle subatomiche e la radiazione rilasciate. Questi acceleratori sono enormi e vengono mantenuti sotto terra. Un esempio di acceleratore lineare è il linac presso il Laboratorio di acceleratori lineari di Stanford (SLAC) in California, che misura circa 1,8 miglia (3 km) di lunghezza.
Gli acceleratori circolari svolgono fondamentalmente lo stesso lavoro dei linac. Tuttavia, invece di utilizzare un lungo tracciato lineare, spingono le particelle intorno a un tracciato circolare molte volte. Ad ogni passaggio, il campo magnetico è rafforzato in modo che il fascio di particelle acceleri ad ogni passaggio consecutivo. Quando le particelle raggiungono la loro massima o desiderata energia, un bersaglio è posto sul cammino del fascio, in o vicino ai rilevatori. Gli acceleratori circolari furono il primo tipo di acceleratore inventato nel 1929. Infatti, il primo ciclotrone (mostrato di seguito) aveva solo 4 pollici (10 cm) di diametro.
Il ciclotrone di Lawrence utilizzava due magneti a forma di D (chiamati Dee) separati da un piccolo spazio. I magneti producevano un campo magnetico circolare. Una tensione oscillante creava un campo elettrico attraverso lo spazio per accelerare le particelle (ioni) ad ogni passaggio. Man mano che le particelle si muovevano più velocemente, il raggio del loro percorso circolare aumentava fino a quando colpivano il bersaglio sul cerchio esterno. Il ciclotrone di Lawrence era efficace, ma non poteva raggiungere le energie che i moderni acceleratori circolari raggiungono.
Gli acceleratori circolari moderni collocano klystron e elettromagneti intorno a un tubo circolare di rame per accelerare le particelle. Molti acceleratori circolari hanno anche un breve linac per accelerare inizialmente le particelle prima di entrare nell’anello. Un esempio di moderno acceleratore circolare è il Laboratorio Nazionale di Acceleratori di Fermi (Fermilab) nell’Illinois, che si estende per quasi 10 miglia quadrate (25,6 km quadri).
Immaginiamo insieme di addentrarci all’interno di un acceleratore di particelle. Possiamo scoprire un’avventura straordinaria nel mondo della fisica e dell’energia, dove le particelle viaggiano a velocità impensabili, svelando i segreti nascosti della materia e dell’universo.