Gli acceleratori di particelle C. Biscari Divisione Acceleratori LNF-INFN Settembre 2002

Perchegli acceleratori ? I primi acceleratori di particelle furono realizzati per studiare i costituenti più piccoli della materia. Un fascio di particelle (elettroni, positroni, protoni,…) che colpisce una targhetta o collide con un altro fascio produce reazioni nucleari, annichilazioni e creazione di nuove particelle Lo studio di questi fenomeni ci dà informazioni sui costituenti ultimi del nostro mondo

I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano sorgenti naturali: particelle alfa, raggi cosmici La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con lenergia: lenergia massima delle particelle alfa è solo 10 MeV. I raggi cosmici, anche quando molto energetici, non sono prevedibili: servono fasci di particelle ad alta energia e ripetibilità per studi sistematici. I primi studi sugli acceleratori sono degli anni 20 I primi acceleratori sono degli anni 30

Evoluzione degli acceleratori La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con lenergia La capacità di creare nuove particelle aumenta con lenergia e la corrente Lo sviluppo degli acceleratori è stato determinato dalla necessità di ottenere energie e intensità di fasci sempre maggiori

Diagramma dellenergia degli acceleratori dal 1930 al 2010 Un ordine di grandezza ogni 7 anni per un totale di 13 (Livingston Chart)

Acceleratori nel mondo Gli acceleratori usati per la ricerca pura sono costruiti ai limiti della tecnologia attuale e sono anchessi ricerca tecnologica.

Lalbero del tempo delle applicazioni degli acceleratori

Sorgenti di particelle Tutti i fasci di particelle hanno origine in una sorgente Lesempio più semplice è un filamento caldo, come quello di una lampadina Gli elettroni sono estratti dal catodo e viaggiando verso lanodo positivo acquistano unenergia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo E = qV I protoni sono il nucleo dellatomo di idrogeno. Applicando la differenza di potenziale al gas di idrogeno si accelerano i protoni

Primi acceleratori nella storia Acceleratori elettrostatici – van der Graff – E max 10 MeV Acceleratori lineari – Wideroe Acceleratori circolari – Ciclotrone 1930, Betatrone 1940, Sincrotrone 1945

Acceleratori lineari Le particelle emesse dal filamento vengono accelerate dal campo elettrico longitudinale generato da elettrodi susseguenti. Lidea di Ising (1924) fu applicata da Videroe e nel 1927 venne realizzato il primo drift tube Linac.

Accelerazione con campi a radiofrequenza: principio di stabilità di fase Videroe (1928): applicare, al posto di un campo elettrico statico, un campo oscillante con frequenza opportuna tale che la fase cambi di durante il tempo di volo fra due gap successive. Se il campo accelerante è una sinusoide e le particelle passano sulla parte crescente dellonda, la particella che arriva in anticipo di fase rispetto alla fase sincrona verrà accelerata di meno, quella in ritardo vedrà un campo maggiore. Le particelle oscilleranno quindi attorno alla fase corretta raggruppandosi longitudinalmente

Il LINAC di DAFNE a Frascati

Linacs … Lunghi da pochi m a qualche Km Energie da pochi MeV a diversi GeV berkeley

Accelerazione = aumento di energia Velocità delle particelle normalizzata alla velocità della luce in funzione dellenergia La variazione di velocità è trascurabile al di sopra di una certa energia = v/c

Gli acceleratori circolari E.O.Lawrence (1930) ebbe la brillante idea di curvare le particelle su una traiettoria circolare, facendole ripassare molte volte nello stesso sistema di elettrodi. Negli acceleratori circolari il campo magnetico B è diretto verticalmente; se una particella relativistica di momento p viaggia nel campo magnetico perpendicolare la variazione di momento è dp/dt=e v x B il raggio di curvatura della traiettoria dipende dalla carica e dallenergia della particella

Lelettro-sincrotrone di Frascati

Losservazione su targhetta La materia è vuota : cio che non ha interagito viene perduto Energia a disposizione dellinterazione dovuta solo al fascio Il bersaglio è complesso: molte delle particelle prodotte disturbano lesperimento sincrotrone LINAC bersaglio e -,e +,p … p, n, etc rivelatori

Produzione di antimateria Lelettrone di alta energia penetra nella targhetta Sciame elettromagnetico e-

la massa si converte in energia (fotoni) e Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico

il fotone si converte in un elettrone (e - ) e un positrone (e + ) e e-e- e+ e+ e+ e+ Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico

questo processo si ripete e forma uno sciame e-e- e-e- e+ e+ e+ e+ e e-e- e-e- e+ e+ e+ e+ e-e- e-e- e+ e+ e+ e+ e-e- e-e- e+ e+ e+ e+ e-e- e-e- e+ e+ e+ e+ e-e- e-e- e+ e+ e+ e+ e-e- e-e- e+ e+ e+ e+ *Nota: Solo positroni, elettroni, e fotoni sono creati Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico

la particella ad alta energia penetra nel mezzo e frattura il nucleo atomico della targhetta producendo diverse particelle p n K+K+ *Nota: una grande varietá di particelle si può produrre: per esempio, p, n,,,,, Produzione di antimateria Sciame adronico p

Queste particelle possono essere abbastanza energetiche da produrre nuove fratture p n e e K+K+ K+K+ K-K e e e e e Produzione di antimateria Sciame adronico

Accelerazione dellantimateria Sorgente di positroni di DAFNE LINAC per e- LINAC per e+ targhetta Lente focheggiante Alti campi magnetici

AdA (Anello di Accumulazione) FRASCATI Registrazione dei primi elettroni accumulati in AdA. La vita media era 21 sec, il numero medio 2.3

I COLLIDERS materia-antimateria ADA a Frascati 1959 ADONE a Frascati DA NE – 1997 a oggi LEP al CERN di Ginevra

LHC al Cern di Ginevra > 2006

Luminosità la luminosità L di un collider è proporzionale alla capacità di fare interagire le particelle Numero di particelle per fascio Dimensioni trasverse dei fasci: Si può arrivare a pochi (millesimi di mm) Per aumentare la luminosità si aumenta la densità dei fasci (Cm -2 sec -1 )

Sezione durto la sezione durto di un determinato evento è proporzionale alla probabilità che levento avvenga Si misura in cm 2 L = frequenza con cui accadono gli eventi cercati Si misura in sec -1 Due particelle che collidono possono produrre tipi diversi di eventi, alcuni più probabili di altri

Esempio frequenza degli eventi L =1000 eventi/sec due fasci di 10 miliardi di particelle ciascuno, che si incrociano 3 milioni di volte al secondo producono levento desiderato solo una volta ogni 3000 incroci!!!! + … ~ cm 2 ~10 10 ~ sec -1 2 mm 15 m cm -2 s -1 ++

DAFNE nei LNF

IL complesso di DA NE è formato da tre elementi: (1) il LINAC; (2) laccumulatore; (3) i due anelli principali. (4) tre linee di luce di sincrotrone Le strutture sono state completate nel 1997 e le prime collisioni sono avvenute nel marzo 1998.

DA NE

Dafne nel 2002

Equazione basica per descrivere il movimento di una particella in un acceleratore Lunità di misura dellenergia delle particelle è lelettronvolt [eV] pari allenergia di una particella di carica unitaria accelerata da una differenza di potenziale elettrostatico di un volt: 1 eV=1.6x Joules Più usati negli acceleratori i multipli [keV, MeV, GeV]

Spazio delle fasi delle particelle Le particelle di un fascio in un acceleratore non hanno tutte la stessa energia e posizione Lenergia, la posizione e il momento trasverso hanno distribuzioni gaussiane Il pacchetto di particelle è un elissoide a 6 dimensioni: Energia - posizione longitudinale Posizione - momento orizzontale Posizione - momento verticale s y x coordinata distribuzione

Cavità a radiofrequenza Le cavità a radiofrequenza danno energia al fascio di particelle ogni volta che esso passa al loro interno Nei linac cè un solo passaggio Negli anelli milioni di passaggi v = c = m/sec Dafne: 100 m : T o = 3.3 x sec. In 1 sec 3 milioni di giri LEP: 30 Km : T o = 1 x sec. In 1 sec giri fascio Campo elettrico

La geniale idea di Bruno Touschek fu quella di utilizzare come particelle collidenti particelle ed antiparticelle che nella loro annichilazione avrebbero rilasciato tutta la loro energia per creare nuove particelle Lidea di Touschek: collisioni materia e antimateria Rivelatore Anello di Accumulazione Frascati

e+e+e+e+ e-e-e-e e-e-e-e- e+e+e+e+ E = 2m e c 2 E = 2m c 2 E = m c 2

Dove si prende lantimateria? Luniverso, il nostro mondo sono formati da materia: elettroni, protoni, neutroni,… I positroni, predetti nel 1927 da un matematico (Dirac), misurati qualche anno dopo in un esperimento con raggi cosmici (Andersen), adesso si producono in laboratorio Così anche gli antiprotoni, lantimateria dei protoni, anche se la loro produzione e manipolazione è più complessa

Principali magneti di un anello DIPOLI – determinano la traiettoria di riferimento QUADRUPOLI – mantengono le oscillazioni di tutte le particelle intorno alla traiettoria di riferimento SESTUPOLI – correggono leffetto cromatico dei quadrupoli

Radiazione di sincrotrone Una particella carica che viaggia in una traiettoria curva emette fotoni, la cui energia dipende dalla massa e dallenergia della particella e dal raggio di curvatura della traiettoria Una particella carica che viaggia in una traiettoria curva perde energia. In un anello di accumulazione lenergia persa viene compensata dalle Cavità a radiofrequenza Energia persa per giro

Emissione di luce di sincrotrone Massa Energia della particella m p LHC p e- HERA e+ e- LEP e+ e- PEP e+ e- DAFNE E/giro (GeV) E (GeV) Raggio di curvatura della traiettoria Campo magnetico

Il futuro degli acceleratori Linear colliders Factories Arrivare a energie dellordine del TeV: eV 10 volte di più del LEP Arrivare a luminosità 10 volte maggiori delle presenti Accelerazione di altre particelle, Matematica Elettromagnetismo Elettronica Fisica della materia Informatica Superconduttività Tecnica del vuoto lasers … FISICA DEGLI ACCELERATORI

Beauty-Factory: Stanford Linear Accelerator Center

CLIC

Elettra: Luce di Sincrotrone a Trieste

Bibliografia R.Feynman, R.Leighton, M.Sands – La Fisica di Feynman (Vol. 2), Addison Wesley R.Wilson, R.Littauer - "Acceleratori di particelle", Zanichelli B.Touschek - "Gli anelli di accumulazione", Letture da Le Scienze Le particelle fondamentali a cura di L.Maiani E. Wilson - "An introduction to particle accelerators", Oxford Divulgativi – adatti ai ragazzi Livello universitario