1.

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.

2.

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).

3.

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).

4.

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.

1.

Ciclotrone

Nel 1939 il fisico statunitense Ernest O. Lawrence ottenne il premio Nobel per la fisica per l’invenzione del ciclotrone, il primo acceleratore di particelle di forma circolare. La macchina è costituita da due elettrodi cavi a forma di “D”, posti uno di fronte all’altro ( D) e collegati a un generatore di tensione oscillante: all’esterno delle camere a vuoto un potente elettromagnete genera un campo magnetico uniforme (detto “campo guida”), che serve a far muovere le particelle lungo una traiettoria curva con velocità costante.

Le particelle ricevono un’accelerazione a ogni passaggio attraverso lo spazio vuoto tra i due elettrodi; man mano che aumenta la loro energia cinetica, aumenta il raggio della circonferenza descritta, e quindi la loro traiettoria si sposta verso i bordi dell’acceleratore, assumendo una forma a spirale. Il fascio viene infine deviato da un deflettore elettrostatico verso l’esterno dell’acceleratore e diretto contro un bersaglio.

Quando le particelle raggiungono velocità prossime a quelle della luce, non è possibile trascurare gli effetti relativistici; ad esempio, l’aumento della massa. È a causa di questo effetto che nel ciclotrone, ad esempio, diventa difficile mantenere in fase il campo esterno oscillante e la frequenza di rivoluzione delle particelle. La soluzione al problema fu suggerita nel 1945 dal sovietico Vladimir I. Veksler e dallo statunitense Edwin M. McMillan, che inventarono il sincrociclotrone, chiamato anche ciclotrone a modulazione di frequenza.

Nel sincrociclotrone la frequenza dell’oscillatore (generatore di radiofrequenza) che accelera le particelle al passaggio fra le “D” è automaticamente regolata in base alla frequenza di rotazione delle particelle, e viene leggermente ridotta quando la massa delle particelle aumenta. Per ottenere valori elevati di energia con un sincrociclotrone è necessaria una macchina di grosse dimensioni, poiché l’incremento dell’accelerazione provoca un progressivo aumento del raggio dell’orbita descritta dalle particelle.

Il più grande sincrociclotrone esistente è quello di Dubna, in Russia, in grado di accelerare un fascio di protoni fino a circa 700 MeV.

2.

Betatrone

Gli elettroni subiscono un considerevole aumento della massa quando sono accelerati a energie relativistiche: all’energia di 1 MeV, ad esempio, un elettrone ha una massa tre volte maggiore della propria massa a riposo. Per accelerare gli elettroni viene dunque impiegato un acceleratore appositamente studiato, detto betatrone, che consiste di una camera a vuoto a forma di ciambella, collocata tra i poli di un elettromagnete. Quando una corrente alternata è applicata all’elettromagnete, la variazione di flusso del campo magnetico attraverso l’orbita circolare degli elettroni dà luogo a una forza elettromotrice indotta che accelera il fascio. Il campo e il flusso magnetico vengono regolati in modo da mantenere costante il raggio dell’orbita degli elettroni.

3.

Sincrotrone

Il sincrotrone è il più recente e il più potente fra gli acceleratori circolari. È costituito da un grande anello cavo circondato da magneti, che servono soprattutto a mantenere la traiettoria delle particelle al centro dell’anello. Dopo essere state preaccelerate a un’energia di diversi milioni di elettronvolt, le particelle vengono immesse nell’anello, dove subiscono un’accelerazione in uno o più punti dell’orbita circolare. Raggiunta l’energia di qualche GeV (miliardi di elettronvolt), un processo che si compie in pochi secondi, le particelle vengono espulse e indirizzate in un nuovo apparato sperimentale, o contro bersagli opportuni, dove possono generare particelle elementari diverse. Queste macchine sono utilizzate prevalentemente per accelerare protoni (protosincrotrone), ma sono applicate anche a elettroni (elettrosincrotrone).

Nel 1952, presso i laboratori di Brookhaven, nello stato di New York, entrò in funzione il Cosmotron, il primo protosincrotrone, che poteva accelerare i fasci di particelle all’energia di 3 GeV. A metà degli anni Sessanta furono messi a punto due sincrotroni capaci di accelerare protoni a energie di circa 30 GeV: il sincrotrone a gradiente alternato (AGS) dei laboratori di Brookhaven e l’ISR (Intersecting Storage Rings), una macchina simile realizzata nei pressi di Ginevra dal CERN (Laboratorio europeo per la ricerca di fisica delle particelle).

Nel 1981 venne messo in funzione il SuperProtoSincrotrone (SPS) del CERN, successivamente utilizzato per preaccelerare, all’energia di 400 GeV, gli elettroni destinati al LEP (Large Electron-Positron Collider); nel medesimo anno si avviarono anche le operazioni del sincrotrone costruito al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), situato nei pressi di Chicago, in Illinois, capace di portare l’energia dei protoni fino a 500 GeV.

Nel 1983 il protosincrotrone del Fermilab fu dotato di magneti superconduttori che, generando un campo molto più intenso dei magneti tradizionali, permisero di raggiungere l’energia finale di 1 TeV (mille miliardi di elettronvolt). Nel 1989 al CERN venne messo in funzione il LEP, un acceleratore circolare lungo 27 km, rimasto in funzione fino al novembre 2000, permettendo di accelerare elettroni e positroni a un’energia di collisione di oltre 200 GeV.

4.

Collisore ad anello di accumulazione

Un collisore, più spesso riferito con il termine inglese collider, è la combinazione di un acceleratore circolare e di uno o più anelli di accumulazione. Anziché inviare il fascio di particelle accelerate su un bersaglio fisso, il collisore accelera due fasci di particelle negli anelli di accumulazione e li fa successivamente scontrare frontalmente, in violente e ripetute collisioni.

Il LEP del CERN era un collisore in cui elettroni e positroni venivano fatti circolare nel medesimo anello, sfruttando la forza di verso opposto che un campo magnetico esercita sui due fasci, in virtù del segno opposto della loro carica elettrica. Nel 1987 il Fermilab convertì il protosincrotrone in un collisore (al complesso di acceleratore e anello di accumulazione è stato dato il nome di Tevatron) per produrre scontri fra un fascio di protoni e uno di antiprotoni a un’energia di collisione di 2 TeV.

I collisori attualmente in funzione sono già estremamente potenti, ma per la verifica sperimentale delle nuove teorie fisiche sono necessarie apparecchiature ancora più grandi, che richiedono investimenti economici consistenti. Per sfruttare al massimo le infrastrutture già esistenti, è stato ideato il Large Hadron Collider (LHC), una nuova macchina in costruzione al CERN, nel medesimo tunnel che ospitò il tubo di accelerazione del LEP. LHC produrrà collisioni fra due fasci di protoni, ciascuno accelerato all’energia di 7 TeV. La sua messa in opera è prevista per il 2008.

Un progetto analogo era stato varato anche dagli Stati Uniti, dove nel 1988 era iniziata a Waxahatchie, in Texas, la costruzione del Superconducting Super Collider (SSC). La nuova macchina doveva essere un enorme collisore lungo 87 km, per ottenere un’energia di collisione di 20 TeV tra fasci di protoni: la sua realizzazione fu bloccata dal Congresso federale nel 1994, quando già gran parte del tunnel era stato scavato, poiché la spesa finale si preannunciava proibitiva.

5.

Applicazioni

Gli acceleratori sono impiegati nella ricerca sperimentale per studiare il nucleo atomico e le particelle che lo costituiscono: con acceleratori di energia superiore a 1 GeV è possibile esplorare la struttura fondamentale della materia e cercare di spiegarne il comportamento. In particolare, i collisori permettono agli scienziati di realizzare scontri violenti tra particelle e di simulare la condizione della materia primordiale, com’era pochi secondi dopo la nascita dell’universo. Studiando gli effetti provocati da tali collisioni, i fisici sperano di scoprire i principi e le leggi che hanno determinato l’evoluzione dell’universo dalla nascita fino alle forme oggi a noi note.

Gli acceleratori hanno però anche applicazioni molto più pratiche: sono, ad esempio, largamente utilizzati per produrre i radionuclidi, usati come traccianti o radioisotopi in medicina e nell’industria.