Gli acceleratori di particelle

1. Gli acceleratori di particelle Vengono presentate le principali tecniche di accelerazione di particelle con particolare riferimento al loro uso per ricerche di Fisica fondamentale al CERN Luciano Ramello Universita’ del Piemonte Orientale

2. Questa conferenza puo’ essere abbinata alla seguente: • Particelle elementari ed esperimenti al CERN • Vengono presentate le conoscenze attuali sulle particelle elementari che costituiscono la materia, nonchè alcuni esperimenti completati recentemente al CERN, ed altri di prossima realizzazione al LHC, tra cui l’esperimento ALICE In questa conferenza dovro’ comunque fare riferimento alla fisica nucleare-particellare, che costituisce la motivazione fondamentale per lo sviluppo degli acceleratori. L. Ramello

3. Sommario • Perche’ accelerare le particelle ? • Prima degli acceleratori: • Atomi e nuclei 1896-1927 • Primi sviluppi 1928-1945 • Acceleratori elettrostatici • Il ciclotrone • L’era degli acceleratori 1946-… • Il sincrotrone • Anelli di accumulazione • Applicazioni: non solo ricerca di base L. Ramello

4. La scienza risponde ai perché • Quando ci chiediamo: ”perché accade una certa cosa ?”, ci sono due interpretazioni possibili: • Quali precedenti circostanze hanno causato il fenomeno ?(Come funziona ? Di che cosa è fatto ? Cosa c’è dentro ?)Esempio: perché i pianeti girano intorno al sole? La scienza risponde a questo tipo di domande • A quale scopo il fenomeno accade ? (Questa cosa a che serve?)Esempio: a cosa servono i pianeti? Perché esistono?Per rispondere a questa domanda occorre avere una causa finale. La scienza non sa e non può rispondere a questa domanda. È’ il campo della filosofia e/o della religione. L. Ramello

5. Come facciamo a vedere gli atomi ? • Gli atomi (e i nuclei, a maggior ragione) sono troppo piccoli per essere visti con gli occhi ... • ... si “bombardano” con delle particelle più piccole e si osserva come “rimbalzano” quando colpiscono l’atomo / il nucleo L. Ramello

6. Perché accelerare le particelle ? Visione con una lampada e gli occhi. Visione con un acceleratore ed un rivelatore di particelle. Aumentando l’energia della particella migliora la risoluzione con la quale si “vede” l’oggetto L. Ramello

7. Prima degli acceleratori • A partire da fine ’800 lo studio della scarica elettrica nei gas porto’ alle prime scoperte sulla struttura atomica e nucleare: • Roentgen (1895) raggi X • Becquerel (1896) radioattivita’ naturale (U) • J. J. Thomson (1896) elettrone • M. Curie (1898) elementi radioattivi Ra e Po • Rutherford, Soddy (1903) teoria del decadimento radioattivo 1a particella identificata I primi proiettili utilizzati per sondare l’atomo erano: elettroni accelerati da campi elettrici, raggi  e  prodotti da decadimenti radioattivi naturali L. Ramello

8. L’esperimento di Rutherford (1911) Rutherford, Geiger e Mardsen bombardarono con particelle α (nuclei di elio) una sottile lamina d’oro ed osservarono le particelle α deflesse su uno schermo scintillante: microscopio una volta su 20000 le αavevano un angolo di diffusione > 90º Lamina d’oro  punto di partenza per il modello planetario dell’atomo (Rutherford) e il primo modello quantistico (Bohr, 1913) Sorgente di α Le particelle α (He++) sono fortemente ionizzanti e quindi poco penetranti (pochi cm di aria), le loro energie vanno da 1 a 5 MeV L. Ramello

9. La prima reazione nucleare α+14N→17O+p misurando le velocita’ delle particelle coinvolte, Rutherford (1919) dimostro’ che uno dei due prodotti era una particella di massa all’incirca uguale a quella dell’atomo di idrogeno, che venne chiamata protone 2a particella identificata Presto divenne chiaro che le particelleα, acausa dell’energia limitata (5 MeV) e della repulsione dovuta alla loro carica (+2e),non erano i proiettili piu’ adatti a studiare i nuclei. Inizio’ quindi lo sviluppo dei primi acceleratori di protoni / ioni leggeri. L. Ramello

10. Primi sviluppi degli acceleratori 1927 E. Rutherford disse alla Royal Society: “... if it were possible in the laboratory to have a supply of electrons and atoms of matter in general, of which the individual energy of motion is greater even than that of the alfa particle, .... this would open up an extraordinary new field of investigation....” Ma gli unicidispositivi all’epoca erano tubi a raggi X che acceleravano elettroni fino a qualche centinaio di keV 1929 G. Gamow dimostro’ che in meccanica quantistica esiste una probabilita’ non nulla che una particella di energia 1 MeV superi per “effetto tunnel” la barriera repulsiva Coulombiana dei nuclei leggeri Questo incoraggio’ J. Cockroft ed E. Walton (collaboratori di Rutherford) a studiare metodi per accelerare fasci di particelle fino a qualche centinaio di keV: nel 1932 costruirono il primo vero acceleratore con un fascio collimato di protoni a 400 keV L. Ramello

11. L’acceleratore di Cockroft e Walton • Energia cinetica: • T = q V • Tecnologia: • Alta tensione • Colonna a vuoto Limiti: Scarica in aria Tensioni disponibili L. Ramello

12. Prima reazione nucleare da protoni Fascio di protoni da 250-400 keV p+7Li → + L’energia cinetica totale delle due particelle  e’ circa 17 MeV La differenza di massa moltiplicata per c2 e’ 14.3 ± 2.7 MeV L. Ramello

13. Il moltiplicatore di tensione C-W L. Ramello

14. L’acceleratore Van de Graaff Per ottenere energie piu’ elevate: nuove idee per i sistemi di carica e di isolamento Una cinghia isolante raccoglie le cariche attraverso un “pettine” da un terminale e le trasferisce all’interno di una sfera conduttrice cava Alte tensioni ottenute: dapprima 5 MV, poi fino a 25 MV L. Ramello

15. Accelerazione multipla • Una tensione alternata viene comunicata ai “tubi a deriva” 1,2,3, … • all’interno di un tubo la particella si muove a velocita’ costante • tra due tubi viene accelerata • i tubi devono essere via via piu’ lunghi per mantenere il sincronismo • con la fase della tensione alternata L. Ramello

16. Prototipi di acceleratore lineare Wideroe nel 1927 realizza il primo prototipo con due sezioni che accelera ioni fino a 50 kV con un generatore da 25 kV, 50 Hz Sloan e Lawrence nel 1931 realizzano un acceleratore con 20 sezioni che accelera ioni Hg+ fino a 1.26 MV L. Ramello

17. Un acceleratore lineare del CERN LINAC di Alvarez: radiofrequenza ~ centinaia diMHz L. Ramello

18. L’idea del ciclotrone • E.O. Lawrence nel 1929 leggendo un articolo di Wideroe ha l’idea di usare lo stesso “gap” molte volte facendo curvare la traiettoria delle particelle con un campo magnetico (invece di usare molti “gap”) Linee di forza del campo magnetico Linee di forza del campo elettrico • frequenza angolare del ciclotrone: • = eB / mc [rad/s] non dipende dal raggio di curvatura Elettrodo cavo a forma di “D” L. Ramello

19. La repubblica del ciclotrone E.O. Lawrence ottiene il premio Nobel nel 1939 L. Ramello

20. Scoperte mancate (a Berkeley) … • Nei primi anni del ciclotrone Lawrence era essenzialmente preoccupato dal progetto della macchina e non curo’ molto gli esperimenti • Percio’ gli sfuggirono alcune scoperte di fenomeni che fu in grado di riprodurre con il ciclotrone poche ore dopo l’annuncio: • Radioattivita’ artificiale • Radioattivita’ indotta da neutroni • Fissione dell’uranio indotta da neutroni L. Ramello

21. La radioattivita’ artificiale • Irène Curie e Frédéric Joliot, Parigi, gennaio 1934 a e+ Po Al L'emissione di positroni persiste anche dopo l'allontanamento della sorgente • + 13Al27 15P30 + n 15P31: isotopo stabile 15P30: isotopo radioattivo b+ non esistente in natura L. Ramello

22. Radioattivita’ indotta da neutroni • Fermi e collaboratori, Roma, 1934 emissione radioattiva n ZXA Rn-Be 62 elementi irradiati in 37 almeno un nuovo prodotto radioattivo 50 nuovi radionuclidi identificati con la vita media di 16 identificata la natura chimica L. Ramello

23. I neutroni lenti • Fermi e collaboratori, 22 ottobre 1934 neutroni veloci neutroni lenti H Ag Rn-Be g sostanza idrogenata(paraffina, acqua, ecc.) L'intensità dell'attivazione aumenta di un fattore che varia da alcune decine ad alcune centinaia. L. Ramello

24. La fissione dell’uranio Hahn e Strassmann (Berlino, 1938) trovano che l'uranio irradiato con neutroni produce quattro isotopi del radio la cui formazione può essere spiegata solo in modo molto problematico ... “Dobbiamo concludere che i nostri 'isotopi del radio' hanno le caratteristiche chimiche del bario” (22 dicembre 1938, pubblicato su Die Natürwissenschaften il 6 gennaio 1939) Durante le vacanze di Natale in Svezia, Lise Meitner e Otto Frisch si rendono conto che il processo di fissione deve dare luogo a due nuclei con Z  40-50 (bario, lantanio, ...) ed energia cinetica totale 200 MeV L. Meitner, O. Frisch Nature, 11 febbraio 1939 O. Frisch Nature, 18 febbraio 1939 L. Ramello

25. … e scoperte fatte a Berkeley • Elemento Z=43 Tc (1937) con E. Segre’ (primo elemento artificiale) • Elemento Z=93 Np (1940) • Elemento Z=94 Pu (1941) fissionabile • Sintesi del 14C (radiocarbonio) • Produzione di radioisotopi per uso medico • Produzione di mesoni (1948) • Inoltre a Berkeley durante e dopo la II guerra mondiale maturano • nuove idee di acceleratori: • l’acceleratore lineare di Alvarez (LINAC) • il sincrociclotrone (diminuzione della radiofrequenza all’aumentare • dell’energia dei protoni, necessaria per E > 20 MeV) • il sincrotrone che sfrutta il principio della stabilita’ di fase • (McMillan, 1946; indip. Veksler in Unione Sovietica, 1945) L. Ramello

26. La stabilita’ di fase Problema: le particelle del fascio non hanno esattamente la stessa energia, quelle di energia minore (maggiore) della media tendono a portarsi su una orbita con raggio di curvatura minore (maggiore) e arrivano sfasate al giro successivo La particella e’ sull’orbita centrale e resta sempre in fase; La particella  e’ in ritardo: trova una ddp minore, la sua velocita’ angolare aumenta e al giro successivo recupera una parte del ritardo. Aumentando lentamente il campo magnetico a raggio di curvatura e frequenza costanti si aumenta l’energia del fascio L. Ramello

27. Principio del sincrotrone L. Ramello

28. Primi sincrotroni (weak focusing) Sincrotrone a protoni da 3 GeV al Brookhaven National Laboratory (Long Island, NY) Sincrotrone a elettroni da 1 GeV a Frascati L. Ramello

29. I dipoli di curvatura I: corrente negli avvolgimenti del magnete B: campo magnetico v: velocita’ della particella F: forza di Lorentz : raggio dell’orbita I magneti dipolari di curvatura servono a mantenere una traiettoria circolare, per applicare molte volte il campo elettrico delle cavita’ a radiofrequenza (RF) L. Ramello

30. I quadrupoli di focalizzazione Le componenti x e y della forza di Lorentz che agisce su una particella di carica positiva entrante nel piano del disegno sono: Fx = -g x Fy = g y La forza aumenta linearmente con lo spostamento dalla traiettoria ideale. L’effetto e’ focalizzante nel piano orizzontale (H) ma defocalizzante in quello verticale (V) … come fare ? L. Ramello

31. Focalizzazione forte L’effetto di una “lente” magnetica (quadrupolo) defocalizzante seguita da una focalizzante e’ complessivamente focalizzante La focalizzazione forte e’ stata inventata da Christofilos e da Courant, Livingston e Snyder (1950-1952) L. Ramello

32. Anelli di accumulazione • Wideroe nel 1943 propone di utilizzare collisioni frontali di due fasci per sfruttare al meglio l’energia cinetica disponibile • Kerst, O’Neill e altri nel 1956, visti i progressi nell’intensita’ dei fasci prodotti dai sincrotroni, propongono collisioni p-p ed e-e • Nel 1957 O’Neill e altri iniziano il progetto del Princeton-Stanford e-e- Collider, che ottiene i primi fasci accumulati nel 1962 con 500 MeV per fascio • B. Touschek a Frascati propone nel 1960 il primo Anello di Accumulazione e+e- “AdA”, utilizzando come iniettore l’elettrosincrotrone da 1.1 GeV (e in seguito il sincrotrone da 2 GeV di Orsay) L. Ramello

33. Ada a Frascati e ad Orsay Primi elettroni e positroni circolanti in Ada dopo un solo anno dal seminario di B. Touschek Dopo che l’intensita’ del fascio fornito dal sincrotrone di Frascati si era rivelata insufficiente, AdA fu trasportato a Orsay per utilizzare come iniettore il sincrotrone da 2 GeV L. Ramello

34. ADONE a Frascati Progetto iniziato nel 1961 Inizio costruzione nel 1963 Primi risultati di fisica nel 1968 Molti problemi di fisica degli acceleratori (instabilita’) affrontati e risolti Energia: 1.5 + 1.5 GeV L. Ramello

35. L’anello ISR (p-p) al CERN Primo anello di accumulazione p-p Progetto iniziato nel 1965 In funzione nel 1971 Energia: 31 + 31 GeV Correnti record: 57 A per fascio S. Van der Meer invento’ per l’ISR il raffreddamento stocastico (tecnica per smorzare le fluttuazioni casuali di densita’ del fascio) che venne poi utilizzato nel collisionatore protone-antiprotone del CERN (S. Van der Meer ottenne il premio Nobel nel 1984 con C. Rubbia) L. Ramello

36. L’anello LEP al CERN (1989-2000) L. Ramello

37. Le cavita’ a radiofrequenza di LEP L. Ramello

38. Il complesso di acceleratori al CERN Il tunnel del LEP (Large Electron Positron collider) viene riutilizzato per far collidere protoni oppure ioni pesanti nel Large Hadron Collider (LHC) L. Ramello

39. I magneti di curvatura di LHC L. Ramello

40. Sviluppo degli anelli di accumulazione Energia nel centro di massa LHC al CERN: primi fasci p-p previsti nell’autunno 2007, primi fasci Pb-Pb nel 2008 Il prossimo acceleratore di alta energia sara’ e+e-, probabilmente l’International Linear Collider (ILC) anno di messa in funzione L. Ramello

41. Acceleratori: oltre la ricerca … I sistemi di accelerazione dedicati alla ricerca sono solo il 6.7% del totale, la maggioranza e’ dedicata alla medicina e all’industria L. Ramello

42. La luce di sincrotrone Gli elettroni accelerati su traiettorie curvilinee emettono fotoni con uno spettro continuo di energie, la “luce di sincrotrone” L’anello ELETTRA presso Trieste I fasci molto intensi di fotoni che emergono dalle varie “inserzioni” sull’anello vengono usati per studi sui materiali, sulla fisica medica, etc. L. Ramello

43. Progressi della protonterapia L. Ramello

44. Centri di adroterapia nel mondo L. Ramello

45. Risultati ottenuti con acceleratori L. Ramello