Acceleratore di particelle

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Introduzione

Acceleratore di particelle Dispositivo che ha lo scopo di accelerare fasci di particelle cariche, portandoli ad alti valori di energia cinetica. Gli acceleratori di particelle sono utilizzati dai fisici per lo studio della struttura fondamentale della materia e delle forze che regolano le interazioni fra particelle.

Tre elementi strutturali fondamentali accomunano tutte le macchine di questo tipo: una sorgente di particelle, un tubo in cui è fatto il vuoto, dentro il quale si muove il fascio delle particelle, e diversi dispositivi per imprimere l’accelerazione.

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Acceleratori elettrostatici

Un modo per accelerare le particelle dotate di carica elettrica si basa sull’applicazione di un campo elettrostatico. Nel 1932, applicando un’elevata differenza di potenziale (800.000 volt) a una coppia di elettrodi posti alle estremità di un tubo a vuoto, gli scienziati britannici John D. Cockcroft ed Ernest Walton riuscirono ad accelerare a un’energia di 250.000 elettronvolt (eV) dei protoni e, inviandoli su un bersaglio costituito da atomi di litio, a ottenere la disintegrazione della struttura atomica. La tecnica di Cockcroft e Walton, benché ormai in disuso per le limitate energie che può fornire, è rimasta per circa cinquant’anni il metodo più diffuso per imprimere la spinta iniziale a particelle da introdurre in acceleratori più potenti.

Uno sviluppo del metodo di Cockcroft e Walton fu il celebre generatore di Van de Graaff, ideato all’inizio degli anni Trenta dal fisico statunitense Robert van de Graaff. In esso la differenza di potenziale tra i due elettrodi viene ottenuta mediante il trasporto di cariche su una cinghia mobile. I moderni acceleratori di Van de Graaff sono in grado di accelerare particelle fino all’energia di 15 MeV (15 milioni di elettronvolt).

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Linac

L’acceleratore lineare (Linac) fu concepito alla fine degli anni Venti. Utilizza un campo elettrico oscillante per accelerare particelle lungo una traiettoria rettilinea. Le particelle passano attraverso una serie di cavità a radiofrequenza, allineate all’interno di un tubo a vuoto: il campo elettrico alternato raggruppa le particelle in pacchetti, che subiscono l’accelerazione quando attraversano lo spazio fra due cavità. In linea teorica si potrebbero costruire Linac capaci di produrre energie enormi; in pratica tale potenzialità è vanificata da motivazioni logistiche: per energie maggiori servono lunghezze maggiori, il che significa che oltre un certo limite si dovrebbe costruire un acceleratore di lunghezza smisurata.

Il più grande Linac oggi esistente si trova alla Stanford University, è lungo 3,2 km ed è in grado di accelerare elettroni a un’energia di 50 GeV (50 miliardi di elettronvolt). Il Linac di Stanford è stato progettato per far collidere due fasci di particelle, dopo che questi sono stati mantenuti per un certo tempo in anelli di accumulazione (vedi oltre, Collisore ad anello di accumulazione).

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Acceleratori circolari

Gli acceleratori circolari sono stati concepiti per poter accelerare le particelle a energie elevate utilizzando macchine di dimensioni limitate: l’energia delle particelle, che aumenta di una piccola quantità a ogni percorso della circonferenza della macchina, in linea di principio può essere fatta crescere a piacere facendo compiere alle particelle un numero molto grande di rivoluzioni.