Accelera, accelera!

Colgo l’opportunità creata da una domanda che ci è stata indirizzata da Gabriele, uno studente al terzo anno di liceo, impegnato in una attività scolastica con il CERN per parlare di un argomento molto in voga ma che vale la pena riprendere e spiegare nel dettaglio ma con un approccio molto divulgativo. Molto spesso, quando sentiamo parlare di fisica delle particelle, sentiamo parlare anche di acceleratori. Un acceleratore di particelle è un sistema di dispositivi elettromagnetici che serve ad accrescere l’energia di un fascio di particelle e a collimarlo indirizzandolo verso un punto di interazione, contro un altro fascio che proviene dalla direzione opposta o contro un bersaglio fisso di qualche tipo. Usare fasci accelerati ha due scopi, principalmente.

Il primo utilizzo di un fascio di particelle di alta energia è simile al concetto di microscopio. Con un microscopio è impossibile “vedere” particolari più piccoli della lunghezza d’onda della luce che si usa per illuminare il campione. Ad una particella di una data energia è associata un’onda caratterizzata da una lunghezza tanto più corta quanto più alta è l’energia: per questo, ad esempio, elettroni di alta energia possono essere utilizzati per guardare “dentro” un nucleo atomico, o dentro un protone. Il secondo utilizzo si basa sulla famosa relazione di Einstein $$E=mcdot c^2$$ Quando faccio scontrare due particelle che, complessivamente, portano una certa energia E, nell’urto si possono creare nuove particelle, con una massa complessiva m ≤ E/c2. Quindi, un acceleratore, serve fondamentalmente a guardare cose molto piccole, come i quark in un nucleo, o a costruire particelle pesanti e molto evanescenti, come il famoso bosone di Higgs.

Per accelerare una particella si sfruttano la sua carica elettrica e un opportuno campo elettromagnetico. I primi acceleratori erano basati su un campo elettrico statico, ma questo limitava a pochi milioni di Volt il massimo potenziale applicabile alle particelle: infatti, oltre questi valori, la probabilità che una scarica incenerisca il fisico che fa l’esperimento diventa non trascurabile… Un’eventualità che preferiamo evitare. Per andare ad energie più alte si utilizzano delle onde elettromagnetiche ad alta frequenza: le particelle da accelerare passano attraverso delle cavità in cui le onde elettromagnetiche sono intrappolate, viaggiando avanti e indietro nella cavità. Le particelle sincrone con l’onda ricevono una certa quantità di energia, “vedendo” sempre un campo elettrico accelerante lungo tutto il loro cammino. Ciò che prova la particella è in qualche modo simile a quello che prova un surfista quando cavalca l’onda: se viaggia alla stessa velocità dell’onda, ne viene spinto in avanti e accelera.

Il principio del surfista: una particella carica in fase con un'onda elettromagnetica viaggiante viene accelerata dall'onda stessa, come un surfista viene spinto dalle onde del mare.

Il principio del surfista: una particella carica in fase con un’onda elettromagnetica viaggiante viene accelerata dall’onda stessa, come un surfista viene spinto dalle onde del mare.

Un acceleratore fatto di sole cavità a radiofrequenza ha però un limite: devo continuamente inserire nuove particelle, ad un capo, accelerarle da zero alla massima energia e poi buttarle via. Negli anni Cinquanta e Sessanta si sono costruiti i primi sincrotroni, anelli di accumulazione in cui un fascio (o due fasci contro-ruotanti) vengono accelerati e mantenuti ad energia costante per parecchi giri. Per mantenere le particelle su traiettorie circolari, oltre alle cavità acceleranti servono dei magneti curvanti. La massima energia che si riesce a raggiungere con i moderni sincrotroni è legata a quanto si riesce a far fare una curva stretta alle particelle: LHC, il più moderno e potente sincrotrone del CERN di Ginevra, ha un raggio di circa quattro chilometri e mezzo e i magneti raggiungono i sette Tesla (per fare un confronto, il campo magnetico terrestre, dalle nostre parti, è pari a circa 50 milionesimi di Tesla). Queste dimensioni colossali e questi campi così intensi permettono di accelerare protoni come se si potesse disporre di un campo elettrostatico di settemila miliardi di Volt, milioni di volte più grande di quello che si poteva ottenere con un acceleratore elettrostatico.

Un moderno sincrotrone ha anche molte altre componenti, tra cui le più importanti sono delle lenti magnetiche che permettono di sagomare il fascio di particelle, stringendolo e allargandolo a seconda delle necessità sperimentali. Poter strizzare il fascio è fondamentale, altrimenti le particelle, avendo tutte la stessa carica, si respingerebbero tra loro andando rapidamente a sbattere contro i tubi in cui viaggiano. Una serie di altri magneti compensano l’effetto della gravità terrestre (anche se leggere, le particelle accelerate tendono a “cadere” verso il basso, infatti) e alcuni condensatori correggono le deviazioni delle particelle dalla traiettoria ideale. Nonostante le dimensioni enormi di LHC, infatti, i protoni accelerati percorrono diecimila giri al secondo, al suo interno: senza correzioni, molto rapidamente il fascio andrebbe a sbattere contro qualche magnete!

Gli acceleratori di particelle si sono rivelati strumenti insostituibili per la fisica delle interazioni fondamentali per molti decenni, inoltre, da alcuni anni, sono utilizzati in diversi altri campi, come la scienza dei materiali, la datazione delle opere d’arte o addirittura la cura del cancro, tutti campi in cui, peraltro, siamo all’avanguardia, in Italia. Queste applicazioni erano sicuramente inimmaginabili per i pionieri della fisica degli acceleratori, come l’italiano Bruno Touschek, inventore degli anelli di accumulazione, ma grazie al loro sforzo, oggi possediamo questa tecnologia così utile e versatile: un altro piccolo esempio di come, quando si parla di ricerca di base, non ci si può limitare alle ricadute immediate, ma bisogna pensare in termini di anni o decenni.

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Author: Andrea Bersani

Fisico delle particelle, tecnologo all’INFN un po’ per tutte le stagioni. È molto curioso, soprattutto di cose che non gli serviranno mai sul lavoro.

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