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Gli acceleratori di particelle Vengono presentate le principali tecniche di accelerazione di particelle con particolare riferimento al loro uso per ricerche.

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Presentazione sul tema: "Gli acceleratori di particelle Vengono presentate le principali tecniche di accelerazione di particelle con particolare riferimento al loro uso per ricerche."— Transcript della presentazione:

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 dicembre 2006L. Ramello2 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 lesperimento ALICE In questa conferenza dovro comunque fare riferimento alla fisica nucleare-particellare, che costituisce la motivazione fondamentale per lo sviluppo degli acceleratori.

3 dicembre 2006L. Ramello3 Sommario Perche accelerare le particelle ? Prima degli acceleratori: Atomi e nuclei Primi sviluppi Acceleratori elettrostatici Il ciclotrone Lera degli acceleratori 1946-… Il sincrotrone Anelli di accumulazione Applicazioni: non solo ricerca di base

4 dicembre 2006L. Ramello4 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 cè 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.

5 dicembre 2006L. Ramello5 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 latomo / il nucleo

6 dicembre 2006L. Ramello6 Perch é accelerare le particelle ? Visione con una lampada e gli occhi. Visione con un acceleratore ed un rivelatore di particelle. Aumentando lenergia della particella migliora la risoluzione con la quale si vede loggetto

7 dicembre 2006L. Ramello7 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 1 a particella identificata I primi proiettili utilizzati per sondare latomo erano: elettroni accelerati da campi elettrici, raggi e prodotti da decadimenti radioattivi naturali

8 dicembre 2006L. Ramello8 Lesperimento di Rutherford (1911) Rutherford, Geiger e Mardsen bombardarono con particelle α (nuclei di elio) una sottile lamina doro ed osservarono le particelle α deflesse su uno schermo scintillante: Sorgente di α Lamina doro microscopio una volta su le α avevano un angolo di diffusione > 90º punto di partenza per il modello planetario dellatomo (Rutherford) e il primo modello quantistico (Bohr, 1913) Le particelle α (He ++ ) sono fortemente ionizzanti e quindi poco penetranti (pochi cm di aria), le loro energie vanno da 1 a 5 MeV

9 dicembre 2006L. Ramello9 La prima reazione nucleare α+ 14 N 17 O+p misurando le velocita delle particelle coinvolte, Rutherford (1919) dimostro che uno dei due prodotti era una particella di massa allincirca uguale a quella dellatomo di idrogeno, che venne chiamata protone 2 a particella identificata Presto divenne chiaro che le particelle α, a causa dellenergia 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.

10 dicembre 2006L. Ramello10 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 unici dispositivi allepoca 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

11 dicembre 2006L. Ramello11 Lacceleratore di Cockroft e Walton Energia cinetica: T = q V Tecnologia: - Alta tensione - Colonna a vuoto Limiti: Scarica in aria Tensioni disponibili

12 dicembre 2006L. Ramello12 Prima reazione nucleare da protoni Fascio di protoni da keV p+ 7 Li + Lenergia cinetica totale delle due particelle e circa 17 MeV La differenza di massa moltiplicata per c 2 e 14.3 ± 2.7 MeV

13 dicembre 2006L. Ramello13 Il moltiplicatore di tensione C-W

14 dicembre 2006L. Ramello14 Lacceleratore 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 allinterno di una sfera conduttrice cava Alte tensioni ottenute: dapprima 5 MV, poi fino a 25 MV

15 dicembre 2006L. Ramello15 Accelerazione multipla Una tensione alternata viene comunicata ai tubi a deriva 1,2,3, … - allinterno 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

16 dicembre 2006L. Ramello16 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

17 dicembre 2006L. Ramello17 Un acceleratore lineare del CERN LINAC di Alvarez: radiofrequenza ~ centinaia di MHz

18 dicembre 2006L. Ramello18 Lidea del ciclotrone E.O. Lawrence nel 1929 leggendo un articolo di Wideroe ha lidea di usare lo stesso gap molte volte facendo curvare la traiettoria delle particelle con un campo magnetico (invece di usare molti gap) Elettrodo cavo a forma di D Linee di forza del campo elettrico Linee di forza del campo magnetico frequenza angolare del ciclotrone: = eB / mc [rad/s] non dipende dal raggio di curvatura

19 dicembre 2006L. Ramello19 La repubblica del ciclotrone anno dim. $ E, MeV K M 200 E.O. Lawrence ottiene il premio Nobel nel 1939

20 dicembre 2006L. Ramello20 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 lannuncio: Radioattivita artificiale Radioattivita indotta da neutroni Fissione delluranio indotta da neutroni

21 dicembre 2006L. Ramello21 La radioattivita artificiale Irène Curie e Frédéric Joliot, Parigi, gennaio 1934 PoAl e L'emissione di positroni persiste anche dopo l'allontanamento della sorgente Al P n P isotopo stabile P isotopo radioattivo non esistente in natura

22 dicembre 2006L. Ramello22 Radioattivita indotta da neutroni Fermi e collaboratori, Roma, 1934 Rn-Be ZXAZXA n emissione radioattiva 62 elementi irradiati in 37 almeno un nuovo prodotto radioattivo 50 nuovi radionuclidi identificati con la vita media di 16 identificata la natura chimica

23 dicembre 2006L. Ramello23 I neutroni lenti Fermi e collaboratori, 22 ottobre 1934 Rn-Be H sostanza idrogenata (paraffina, acqua, ecc.) neutroni veloci neutroni lenti Ag L'intensità dell'attivazione aumenta di un fattore che varia da alcune decine ad alcune centinaia.

24 dicembre 2006L. Ramello24 La fissione delluranio 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 (bario, lantanio,...) ed energia cinetica totale 200 MeV L. Meitner, O. Frisch Nature, 11 febbraio 1939 O. Frisch Nature, 18 febbraio 1939

25 dicembre 2006L. Ramello25 … 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 14 C (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: - lacceleratore lineare di Alvarez (LINAC) - il sincrociclotrone (diminuzione della radiofrequenza allaumentare dellenergia 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)

26 dicembre 2006L. Ramello26 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 sullorbita 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 lenergia del fascio

27 dicembre 2006L. Ramello27 Principio del sincrotrone

28 dicembre 2006L. Ramello28 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

29 dicembre 2006L. Ramello29 I dipoli di curvatura I: corrente negli avvolgimenti del magnete B: campo magnetico v: velocita della particella F: forza di Lorentz : raggio dellorbita I magneti dipolari di curvatura servono a mantenere una traiettoria circolare, per applicare molte volte il campo elettrico delle cavita a radiofrequenza (RF)

30 dicembre 2006L. Ramello30 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: F x = -g x F y = g y La forza aumenta linearmente con lo spostamento dalla traiettoria ideale. Leffetto e focalizzante nel piano orizzontale (H) ma defocalizzante in quello verticale (V) … come fare ?

31 dicembre 2006L. Ramello31 Focalizzazione forte Leffetto 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 ( )

32 dicembre 2006L. Ramello32 Anelli di accumulazione Wideroe nel 1943 propone di utilizzare collisioni frontali di due fasci per sfruttare al meglio lenergia cinetica disponibile Kerst, ONeill e altri nel 1956, visti i progressi nellintensita dei fasci prodotti dai sincrotroni, propongono collisioni p-p ed e-e Nel 1957 ONeill 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 lelettrosincrotrone da 1.1 GeV (e in seguito il sincrotrone da 2 GeV di Orsay)

33 dicembre 2006L. Ramello33 Ada a Frascati e ad Orsay Primi elettroni e positroni circolanti in Ada dopo un solo anno dal seminario di B. Touschek Dopo che lintensita 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

34 dicembre 2006L. Ramello34 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: GeV

35 dicembre 2006L. Ramello35 Lanello ISR (p-p) al CERN Primo anello di accumulazione p-p Progetto iniziato nel 1965 In funzione nel 1971 Energia: GeV Correnti record: 57 A per fascio S. Van der Meer invento per lISR 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)

36 dicembre 2006L. Ramello36 Lanello LEP al CERN ( )

37 dicembre 2006L. Ramello37 Le cavita a radiofrequenza di LEP

38 dicembre 2006L. Ramello38 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)

39 dicembre 2006L. Ramello39 I magneti di curvatura di LHC

40 dicembre 2006L. Ramello40 Sviluppo degli anelli di accumulazione Energia nel centro di massa anno di messa in funzione LHC al CERN: primi fasci p-p previsti nellautunno 2007, primi fasci Pb-Pb nel 2008 Il prossimo acceleratore di alta energia sara e + e -, probabilmente lInternational Linear Collider (ILC)

41 dicembre 2006L. Ramello41 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 allindustria

42 dicembre 2006L. Ramello42 La luce di sincrotrone Gli elettroni accelerati su traiettorie curvilinee emettono fotoni con uno spettro continuo di energie, la luce di sincrotrone Lanello ELETTRA presso Trieste I fasci molto intensi di fotoni che emergono dalle varie inserzioni sullanello vengono usati per studi sui materiali, sulla fisica medica, etc.

43 dicembre 2006L. Ramello43 Progressi della protonterapia

44 dicembre 2006L. Ramello44 Centri di adroterapia nel mondo

45 dicembre 2006L. Ramello45 Risultati ottenuti con acceleratori


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