Acceleratori di particelle

Un acceleratore di particelle è una macchina il cui scopo è quello di produrre fasci di ioni o particelle subatomiche (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni etc.) con "elevata" energia cinetica. Tali macchine vengono usate principalmente per scopi industriali (60%) (impiantazione di ioni, sterilizzazione), medici (35%) (produzione di isotopi radioattivi, terapia adronica, etc.), studio della struttura dei materiali (ad esempio sfruttando la radiazione di sincrotrone) o per scopi di ricerca (5%) in fisica delle particelle (un fascio di particelle di elevata energia permette di sondare oggetti di dimensioni molto piccole)[1].
I metodi per accelerare particelle sono basati sull'uso di campi elettrici e magnetici, di cui i primi forniscono energia alle particelle accelerandole e i secondi servono a curvarne la traiettoria (ad esempio negli acceleratori circolari: ciclotrone e sincrotrone) o a correggere dispersioni spaziali e di impulso dei fasci accelerati.
Acceleratori ad alte energie
Gli acceleratori più noti sono quelli usati nella ricerca dai fisici delle particelle per investigare la struttura della materia su scala subnucleare. Questi acceleratori, come per esempio LHC e Tevatron, che recentemente hanno raggiunto dimensioni gigantesche, sono estremamente costosi e solo pochi enti di ricerca al mondo sono in grado di procurarsi i finanziamenti necessari per la loro costruzione. In Italia è attualmente in progettazione un nuovo acceleratore ed un rivelatore con programma scientifico complementare a quello di LHC SuperB.
Acceleratori a bassa energia
I più numerosi sono gli acceleratori a bassa energia, come può essere un tubo catodico della televisione o gli apparecchi per le radiografie con raggi X. Questi semplici acceleratori usano la differenza di potenziale di qualche migliaia di volt per accelerare elettroni o ioni fino ad un'energia massima dell'ordine dei 100 MeV. Gli acceleratori a bassa energia sono usati per esempio per impiantare ioni nei circuiti integrati, nella ricerca di fisica nucleare, come preacceleratori per quelli più potenti, per creare isotopi instabili che non si possono sintetizzare nei reattori nucleari. Un importante utilizzo è quello nella medicina, nella radioterapia per la cura di tumo
Tipi di acceleratori
Gli acceleratori si posso distinguere in base alla traiettoria seguita dalle particelle, che di solito è lineare, oppure circolare o a spirale. Nel primo caso si parla di acceleratori lineari e sono di solito a bersaglio fisso, cioè il fascio di particelle è fatto collidere su un bersaglio fermo rispetto al laboratorio. Gli acceleratori circolari invece fanno scontrare due fasci di particelle tra di loro curvati mediante campi magnetici; il vantaggio in quest'ultimo caso è la maggiore energia disponibile nel centro di massa, indicata con s2, lo svantaggio principale è la radiazione di sincrotrone
Altre distinzioni si possono fare a seconda della tecnologia di accelerazione usata: campi elettrostatici, campi elettrici variabili, campi magnetici o tecniche particolari, come nei futuri acceleratori per esempio CLIC nel quale si vuole accelerare un fascio di particelle principale attraverso dei fasci secondari.
Un'ultima distinzione si può fare considerando il tipo di particella accelerata. Per quanto riguarda le macchine circolari quelle più comuni sono quelle elettrone-positrone e quelle adroniche, di solito protone-protone o protone-antiprotone. Per studi di fisica nucleare esistono acceleratori che accelerano nuclei pesanti.
Acceleratore elettrostatico o di Wan De Graaff
Tandem di Van De Graaff
Circuito moltiplicatore o Cockcroft-Walton
Betatrone
Ciclotrone
Ciclotrone focalizzato a settore
Sincrociclotrone
Protosincrotrone
Protosincrotrone a focalizzazione forte
CERN
L'Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare comunemente conosciuta con l'acronimo CERN, è il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle. Si trova al confine tra Svizzera e Francia alla periferia ovest della città di Ginevra. La convenzione che istituiva il CERN fu firmata il 29 settembre 1954 da 12 stati membri. Oggi ne fanno parte 20 stati membri più alcuni osservatori, compresi stati extraeuropei.
Scopo principale del CERN è quello di fornire ai ricercatori gli strumenti necessari per la ricerca in fisica delle alte energie. Questi sono principalmente gli acceleratori di particelle, che portano nuclei atomici e particelle subnucleari ad energie molto elevate, e i rivelatori che permettono di osservare i prodotti delle collisioni tra fasci di queste particelle. Ad energie sufficientemente elevate, i prodotti di queste reazioni possono essere radicalmente differenti dai costituenti originali dei fasci, e a più riprese sono state prodotte e scoperte in questa maniera particelle fino a quel momento ignote.
Il complesso degli acceleratori del CERN comprende sette acceleratori principali, costruiti in vari periodi a partire dalla fondazione dell'istituto. Fin dal principio, è stato previsto che ogni nuova e più potente macchina avrebbe utilizzato le precedenti come "iniettori", creando una catena di acceleratori che porta gradualmente un fascio di particelle ad energie sempre più elevate. Difatti, ogni tecnologia di accelerazione delle particelle ha dei ben precisi limiti di energia operativa massima e minima, e nessuna macchina del CERN oltre agli acceleratori lineari può accettare particelle "ferme".
Per consentire il funzionamento di questa catena, tutte le funzioni degli acceleratori sono coordinate
da un unico segnale di riferimento, generato da un sistema di orologi atomici e distribuito per tutta l'installazione, con una precisione dell'ordine del nanosecondo.
Due LINAC, o acceleratori lineari, che generano particelle a basse energie, che successivamente vengono immesse nel PS Booster. Uno fornisce protoni a 50 MeV, l'altro ioni pesanti. Sono noti come Linac2 e Linac3, rispettivamente. Tutta la catena di acceleratori successiva dipende da queste sorgenti.
Il PS Booster, che aumenta l'energia delle particelle generate dai LINAC prima di iniettarle nel PS. (fino a 1500 MeV per i protoni, ovvero 1.5 GeV). Viene inoltre utilizzato per esperimenti separati, come ad esempio ISOLDE che studia nuclei instabili di isotopi molto pesanti ed è dotato di un suo piccolo LINAC dedicato chiamato REX-ISOLDE.
Il Proton Synchroton da 28 GeV (PS), costruito nel 1959.
Il Super Proton Synchrotron (SPS), un acceleratore circolare di 2 km di diametro, costruito in un tunnel, che iniziò a funzionare nel 1976. Originariamente aveva un'energia di 300 GeV, ma è stato potenziato più volte fino agli attuali 450 GeV per protone. Oltre ad avere una propria linea di fascio rettilinea per esperimenti a bersaglio fisso, ha funzionato come collisionatore protone-antiprotone e come booster finale per gli elettroni e i positroni da iniettare nel Large Electron Positron Collider (LEP). Riprenderà questo ruolo per i protoni e gli ioni piombo richiesti da LHC.
Il Large Hadron Collider (LHC), entrato in funzione il 10 settembre 2008, che ha rimpiazzato il LEP. 27 chilometri di circonferenza e 7000 GeV di energia massima per fasci di protoni, la più alta della storia. Il 21 settembre l'LHC ha presentato una fuga di Elio con il conseguente innalzamento della temperatura sopra i -270 gradi centigradi. Il guasto ha costretto i ricercatori a spegnere l'acceleratore almeno per due mesi ovvero il tempo necessario per riparare il guasto e riportare la temperatura ai valori necessari. L' LHC è ripartito il 20 novembre 2009