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Acceleratore di particelle

Come funziona un acceleratore di particelle?

L'acceleratore di particelle è una macchina elettromagnetica che accelera fasci di particelle cariche (elettroni, protoni, deutoni, ioni pesanti), fino a energie sufficienti per studiare le loro interazioni con la materia in esperienze in cui le particelle accelerate urtano un bersaglio, detto di solito targhetta (dall'inglese target, bersaglio), e vengono diffuse, oppure generano fasci secondari di particelle e fotoni.

Gli acceleratori si affiancano alle sorgenti naturali di particelle elementari (raggi cosmici e sostanze radioattive), rispetto alle quali presentano il vantaggio di fornire fasci di particelle di energia, intensità e geometria del fascio ben determinate.

L'energia raggiunta dalle particelle è solitamente misurata in elettronvolt (eV). I multipli più usati dell'elettronvolt sono il megaelettronvolt, MeV (106 eV), e il gigaelettronvolt, GeV (109 eV).

Classificazione degli acceleratori di particelle

Gli acceleratori di particelle possono essere classificati:

  • a seconda dell'energia e dell'intensità del fascio (numero di particelle per centimetro quadrato per secondo);
  • in base al sistema di accelerazione delle particelle;
  • in base al tipo di particelle accelerate.

Classificazione degli acceleratori di particelle a seconda dell'energia e dell'intensità del fascio

In base al primo criterio gli acceleratori di particelle sono divisi in acceleratori di bassa energia (fino a 100 MeV), di energia intermedia (da 100 a 1000 MeV, cioè 1 GeV) e di alta energia (oltre 1 GeV).

Essi differiscono per scopo e modalità di impiego: gli acceleratori di bassa energia sono usati prevalentemente per ricerche di fisica nucleare e di radiochimica, con applicazioni quali la produzione di isotopi e altre a scopi industriali e terapeutici.

Gli acceleratori di media e alta energia sono usati prevalentemente per la ricerca nel campo delle particelle elementari, in cui la piccola lunghezza d'onda di de Broglie delle particelle di alta energia le rende particolarmente adatte a fungere da "sonde" microscopiche per esplorare la struttura della materia; inoltre l'alta energia permette di verificare se esistano o meno le particelle pesanti previste dalle varie teorie.

Il costo di queste macchine è però elevatissimo, e aumenta più che linearmente in funzione dell'energia, per cui si stanno esplorando più alternative possibili, seguendo linee di ricerca differenti, che danno luogo a una proliferazione di macchine di tipo diverso.

Si è perciò costretti a sacrificare, nelle macchine di alta energia, l'intensità del fascio a favore dell'energia massima, mentre nelle macchine di media energia si punta su fasci molto intensi che, oltre a permettere un gran numero di collisioni con i nuclei del bersaglio, provocano spesso l'emissione di fasci di particelle secondarie, quali, ad esempio, i pioni (o mesoni), che servono a loro volta come mezzo di indagine nella struttura della materia e di verifica delle ipotesi teoriche previste dai vari modelli. Sono queste le cosiddette meson factories, di cui un esempio notevole è il LAMPF (Los Alamos Meson Physics Facility).

Un tipo di sfruttamento dei fasci di un acceleratore inteso a massimizzare l'energia degli urti a spese dell'intensità del fascio è quello degli anelli di accumulazione, o SR (storage rings), in cui le particelle di un fascio, invece di essere inviate su un bersaglio fisso, sono inviate contro le particelle di un altro fascio in moto in direzione opposta.

Classificazione degli acceleratori di particelle in base al sistema di accelerazione

In base al sistema di accelerazione gli acceleratori di particelle si dividono in elettrostatici (tipo Van de Graaff o Cockcroft-Walton), lineari e circolari (betatrone, ciclotrone, sincrociclotrone, sincrotrone).

Negli acceleratori elettrostatici le particelle attraversano una sola differenza di potenziale, molto elevata; negli acceleratori lineari c'è una serie di unità acceleratrici successive disposte lungo una retta, generanti
campi elettrici variabili in modo da fornire alle particelle una serie di accelerazioni progressive; negli acceleratori circolari le particelle sono sottoposte sia a campi elettrici (che aumentano la loro energia) sia a campi magnetici, che ne incurvano la traiettoria e ne focalizzano il fascio, facendole passare ripetutamente entro le due o più unità di accelerazione e di focalizzazione.

Acceleratore lineare

Acceleratore lineare.

Le traiettorie sono circolari nei betatroni e sincrotroni, oppure a spirale nei ciclotroni e sincrociclotroni.

La generazione di campi magnetici molto intensi è una caratteristica degli acceleratori circolari di maggiore potenza ed è anche una delle cause del loro alto costo, sia per il costo dei magneti sia per il consumo di energia elettrica necessaria ai grandi elettromagneti.

È questa una delle ragioni per cui si è diffusa e si sta estendendo l'uso della superconduttività per la generazione dei campi magnetici negli acceleratori circolari.

Gli acceleratori elettrostatici e quelli lineari accelerano qualsiasi tipo di particelle (elettroni, protoni, deutoni, raggi α, ioni pesanti); lo stesso fanno i ciclotroni, mentre i betatroni accelerano elettroni solamente.

I sincrociclotroni e i sincrotroni accelerano protoni o elettroni, nel qual caso si parla di elettrosincrotroni e protosincrotroni.

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