ACCELERATORI DI PARTICELLE Carlo Bernardini Università di Roma “La Sapienza” carlo.bernardini@roma1.infn.it

Possibilità Non ci sono molte possibilità; ciascuna soluzione ha i suoi problemi. All’inizio del ‘900, per usare particelle energiche, si ricorreva alla radioattività. Le energie disponibili (p.es.,  del Polonio) erano inferiori a 10 MeV. Soprattutto, non si avevano “fasci” di particelle cariche (se non nei raggi catodici, di energia insufficiente. Qualche keV).

Sorgenti naturali C’erano i raggi cosmici, apparentemente molto energici, ma aleatorii, mentre l’energia massima delle particelle alfa è solo 10 MeV.

Acceleratori elettrostatici Si iniziò con l’accelerazione elettrostatica: una caduta di potenziale di 1 o più MV che accelerava nuclei ionizzati. La differenza di potenziale tra due elettrodi viene usata per accelerare le particelle. Nel caso di elettroni essi sono estratti dal catodo e viaggiando verso l’anodo positivo acquistano un’energia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo anodo - + e- X DE = eV

Röntgen L’apparecchio, realizzato da Röntgen (1° fisico ad ottenere il premio Nobel), costituito da un’ampolla a vuoto con dentro un catodo connesso al polo negativo di un generatore di tensione, era una sorta di acceleratore. Riscaldato emetteva elettroni che fluivano accelerati dal campo elettrico verso l’anodo (a tensione positiva) sul quale urtavano producendo raggi X.

Il principio di funzionamento è quello di un generatore elettrostatico didattico: è costituito da un elettrodo S di forma sferica e del diametro di alcuni metri, nell'interno del quale c'è una cinghia di materiale isolante che per mezzo di un motore scorre su due rulli. Un generatore G produce una differenza di potenziale tra il pettine C1 e l'elettrodo C2. Le cariche (per esempio negative, il pettine C1 è collegato al polo negativo del generatore) sfuggono da P secondo il processo delle punte e vanno a depositarsi sulla cinghia. La cinghia trasporta le cariche negative  nell'interno di S, dove si trova un secondo pettine C3 collegato con la sfera stessa. Per induzione C3 si carica positivamente e la sfera negativamente. Le cariche di C3 sfuggono però da esso e neutralizzano le cariche della cinghia. La cinghia ritorna verso il basso scarica e si ricarica di nuovo passando davanti a C1. Mentre la cinghia continua a girare, la sfera si carica sempre di più. Sela carica accumulata sulla sfera è molto elevata, può dare luogo a scariche elettriche. Van de Graaff

USI ATTUALI Analisi dei materiali: ad es. Controllo struttura semiconduttori; emissione raggi X (usata ad es. in storia dell’arte); Modifica dei materiali: impiantazione ionica per l’industria dei semiconduttori

Acceleratore Cockcroft e Walton The accelerator built by Cockcroft and Walton was the first to be used for experiments in nuclear physics. In this machine, protons - the nuclei of hydrogen atoms - are released at the top of a glass column emptied of air. As the protons have a positive electrical charge, they accelerate as they travel down the glass column and pass through a series of electrically-charged metal cylinders. At the far end of the glass tube is a target: a piece of metal or other material. The protons collide with the nuclei of the atoms in the target and break them into fragments. By examining the fragments, physicists were able to discover more about the detailed structure of these nuclei. Cockcroft and Walton's first experiments involved bombarding lithium atoms with protons, resulting in the production of helium nuclei. This first splitting of the atom in June 1932 earned them the Nobel Prize for Physics in 1951.

Walton osserva le scintillazioni (1932) Cockcroft-Walton Walton osserva le scintillazioni (1932)

Cockcroft-Walton ISS

Acceleratori lineari L’idea di Ising (1924) fu applicata da Wideröe e nel 1927 venne realizzato il primo “drift tube Linac”. PRINCIPIO Le particelle emesse da una sorgente vengono accelerate dal campo elettrico longitudinale generato da elettrodi in successione. La lunghezza dei tubi è tale che le particelle arrivano nella ‘gap’ fino al tubo successivo quando il campo accelerante è massimo.

Cavità a radiofrequenza Wideröe (1928): applicare, al posto di un campo elettrico statico un campo oscillante con frequenza opportuna tale che la fase cambi di p durante il tempo di volo fra due gap successive fascio Campo elettrico La struttura accelerante consiste di una cavita’ risonante in cui viene accumulata l’energia di campi elettromagnetici rf. La struttura deve essere tale che la fase dell’onda elettromagnetica sia sincronizzata al fascio.

Il LINAC di DAFNE (Frascati) e il LINAC del FermiLab

Acceleratori circolari Poi però furono concepiti acceleratori in cui le particelle cariche ripassavano per un potenziale elettrico acceleratore grazie ad un campo magnetico che le teneva su un’orbita circolare o (quasi). Ciclotrone (orbite a spirale a frequenza di rotazione indipendente dall’energia; freq. di ciclotrone). Energie raggiunte  10 – 15 Mev, protoni o deutoni, fascio continuo.

Sincrociclotrone e microtrone Sincrociclotroni SC (orbite a spirale, la frequenza varia con l’energia, Accelerazione a Radiofrequenza – RF - con modulazione di frequenza) Energie raggiunte 680 MeV, protoni o deutoni, fascio impulsato dal ciclo RF Microtroni o ciclotrone per elettroni (poco diffuso). Energia  10 MeV.

Fermi al sincrociclotrone di Chicago

Donald Kerst

Betatroni Betatroni: macchine circolari, per elettroni, a campo variabile di cui usano la forza elettromotrice su un’orbita opportuna. (orbite circolari, condizione di betatrone) Energie raggiunte  350 MeV.

Sincrotroni per elettroni Sincrotroni per elettroni, ES (anelli magnetici a campo variabile con impianti acceleratori a RF.) Energie raggiunte  6 GeV., fasci impulsati, alto duty-cycle, esperimenti di coincidenze possibili.

Luce di sincrotrone

Elettra a Trieste

Protosincrotroni Il primo progetto di un acceleratore a protoni con magnete anulare, a modulazione di frequenza del campo elettrico e a variazione periodica del campo d'induzione magnetica, venne formulato nel 1943 da M. L. Oliphant dell' Università di Birmingham in Gran Bretagna. In questa stessa università egli diresse la realizzazione di un protosincrotrone di 1 GeV che entrò in servizio nel 1953.

PS in USA Negli Stati Uniti gli studi sui protosincrotroni sono stati intrapresi nel 1947, a seguito del lavoro di McMillan, nei laboratori di Brookhaven e all'Università di Berkeley. Ne risultò la costruzione del Cosmotrone di 3 GeV e del Bevatrone di 6,4 GeV, ultimati rispettivamente nel 1952 e nel 1954. Queste macchine ponevano gli americani alla frontiera della fisica delle alte energie.

Grandi Sincrotroni per protoni Sincrotroni per protoni, PS (anelli magnetici a campo variabile, RF modulata in frequenza) Energie raggiunte 1 TeV e oltre. Fascio impulsato con alto duty-cycle.

IL TEVATRON AL FERMILAB- Chicago

Acceleratori lineari Acceleratori lineari, LINAC (guide d’onda con controllo della velocità di gruppo per restare in fase con i pacchetti del fascio) Per elettroni: 50 GeV, Stanford SLAC, lunghezza 2 miglia; per protoni: 1 GeV

La famiglia dei Mark

Principali innovazioni Principali innovazioni nel corso dei tempi: a)l’idea del betatrone è di Rolf Wideroe, sviluppata da Donald Kerst nel 1940 b)McMillan nel 1945 e Veksler nel 1944, comprendono la “stabilità di fase” c)Hansen nel 1948 usa cavità da LINAC d)Christofilos nel 1950 inventa il focheggiamento forte e) Wideröe inventa (1943) e Touschek (1960) realizza i colliders (AdA)

Bruno Touschek e Rolf Wideröe Dei ex machina Bruno Touschek e Rolf Wideröe

AdA

ADONE

DAFNE

Problemi e difficoltà Problemi e difficoltà: i)scariche elettriche negli acc. elettrostatici ii) sorgenti di ioni (ciclotroni e sincrociclotroni) iii)estrazione del fascio (peeler) iv)radiazione di sincrotrone (betatroni) v)pompe da vuoto vi)fasci di positroni vii) fasci di antiprotoni e cooling viii) problemi di duty cycle

Repertorio di formule di base (in CGS di Gauss!) P = momento e = carica dell’elettrone o del protone (in modulo) m = massa della particella accelerata c = velocità della luce B = induzione magnetica R = raggio dell’orbita E = energia totale (cin + rest) delle paricelle accelerate  = velocità angolare (detta “di ciclotrone”) n = indice di campo

P = (e/c)BR  P (MeV/c) = = 300 B (weber/m2)R (m) = eB/mc se E – mc2<<mc2; altrimenti:  = eBc/E n = d(logBvert)/d(logR) 0 < n < 1  focheggiamento debole n > 1 (ma alternato)  focheggiamento forte Perdita di energia per radiazione di sincrotrone  E4/R Frequenza massima radiaz. di sincr.  (E/mc2)3

Diagramma dell’energia degli acceleratori dal 1930 al 2010 LHC TEVATRON SppS LEP =E2CM/(2mP) HERA ISR Un incremento di 3 ordini di grandezza ogni 20 anni (Livingston Chart)

LEP al CERN di Ginevra 1988-2001