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

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. dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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. V. Monticelli, presentazione datata 31 marzo 2006. dicembre 2006 L. Ramello

Come facciamo a vedere 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 dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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 L’ipotesi atomica (Dalton 1803, Avogadro 1811) e’ stata importante dapprima per la Chimica (ad es.: Faraday 1833 – leggi dell’elettrolisi) che per la Fisica; Le proprieta’ specifiche degli atomi oltre la massa e la valenza, come dimensioni, forma, …, non erano importanti per le leggi generali della Chimica. I primi proiettili utilizzati per sondare l’atomo erano: elettroni accelerati da campi elettrici, raggi   e  prodotti da decadimenti radioattivi naturali dicembre 2006 L. Ramello

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 α avevano 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 Rutherford (1919) disintegrazione del nucleo di azoto: alfa + N -> O + protone Le particelle α (He++) sono fortemente ionizzanti e quindi poco penetranti (pochi cm di aria), le loro energie vanno da 1 a 5 MeV dicembre 2006 L. Ramello

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 particelle α, a causa 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. Rutherford (1919) disintegrazione del nucleo di azoto: alfa + N -> O + protone dicembre 2006 L. Ramello

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 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 dicembre 2006 L. Ramello

L’acceleratore di Cockroft e Walton Energia cinetica: T = q V Tecnologia: Alta tensione Colonna a vuoto Limiti: Scarica in aria Tensioni disponibili dicembre 2006 L. Ramello

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 A = bersaglio di litio, B = schermo scintillante ZnS, C = assorbitore di mica. dicembre 2006 L. Ramello

Il moltiplicatore di tensione C-W Tensioni sui condensatori: V(C1) = V + Vsin(omega t); V(C2) = 2V; V(C3) = 3V + Vsin(omega t); V(C4) = 4V; etc. dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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

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” dicembre 2006 L. Ramello

La repubblica del ciclotrone anno dim. $ E, MeV 1930 4” 25 1931 11” 800 1.1 1932 27” 10K 1937 37” 8 1939 60” 20 1946 184” 1.5M 200 Emilio Segre’ ha chiamato il Radiation Laboratory di Berkeley “Cyclotron Republic”. E.O. Lawrence ottiene il premio Nobel nel 1939 dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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 Aprile – Luglio 1934 dicembre 2006 L. Ramello

sostanza idrogenata (paraffina, acqua, ecc.) 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. dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

… 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) dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

Principio del sincrotrone dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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) dicembre 2006 L. Ramello

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 ? dicembre 2006 L. Ramello

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) dicembre 2006 L. Ramello

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) dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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) dicembre 2006 L. Ramello

L’anello LEP al CERN (1989-2000) dicembre 2006 L. Ramello

Le cavita’ a radiofrequenza di LEP dicembre 2006 L. Ramello

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) dicembre 2006 L. Ramello

I magneti di curvatura di LHC dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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 dicembre 2006 L. Ramello

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. dicembre 2006 L. Ramello

Progressi della protonterapia dicembre 2006 L. Ramello

Centri di adroterapia nel mondo dicembre 2006 L. Ramello

Risultati ottenuti con acceleratori dicembre 2006 L. Ramello