Autore: G. Francesco Tartarelli E-mail: [email protected] Documentario: LHC, la macchina del tempo Clip del documentario: Da 3:55 a 5:20 Regista: Jean Leyder Produzione: CERN Advanced level – Spiegazione per ragazzi 14-18 anni Per accelerare le particelle all’energia desiderata, le particelle attraversano delle cavita’; a radiofrequenza dove sono accelerate. Per rendere questo processo piu’ efficiente gli acceleratori hanno una forma circolare cosi’ che le particelle attraversano la cavita’ RF molte volte venendo cosi’ accelerate ad ogni passaggio Per tenere una particella carica su una traiettoria circolare parecchi magneti dipolari sono necessari. Questi sono magneti che producono un campo magentico uniforme su una certa regione di spazio. Le particelle saranno cosi’ deflesse in maniera da fare una traiettoria circolare in un piano perpendicolare alla direzione del campo. Magneti dipolari installati nel tunnel di LHC (CERN). Il Large Hadron Collider (LHC), l’acceleratore protone-protone che e’ in via di costruzione al .CERN, e che sara’ operativo nel 2007, utilizzera’ 1200 dipoli lunghi 14.3 m per piegare il fascio lungo una circonferenza di 27 km. Questo sara’ il piu’ grande acceleratore mai costruito. Sara’ anche l’acceleratore che produrra’ la piu’ grande energia mai raggiunta, dato che i due fasci di protoni verranno accelerati fino ad una energia di 7 TeV ognuno. Per tenere delle particelle di cosi’ alta energia sulla giusta traiettoria un grande campo magnetico e’ necessario, circa 8.4 T. L’unica maniera di produrre dei dipoli cosi’ grossi e potenti e’ di usare degli elettromagneti. Questi sono dei magneti che producono un campo magnetico facendo scorrere della corrente elettrica all’interno di un avvolgimento di filo. Piu’ grande e’ la corrente, maggiore e’ il campo magnetico che 1 puo’ essere ottenuto. Nei dipoli di LHC, una corrente di 11700 Ampere sara’ necessaria. E’ ben noto che una corrente che scorre in un filo incontra una resistenza. Una “batteria” deve fornire energia affinche’ la corrente continui a scorrere per compensaree l’energia che e’ dissipata come calore nella resistenza del filo. La potenza dissipata e’ proporzionale alla resistenza del filo e al quadrato della corrente che circola. Questo implica che con correnti cosi’ grandi a LHC, ci sarebbe una dissipazione di potenza enorme. Per superare questi problemi magneti superconduttori sono utilizzati. Questi sfruttano una straordinaria proprieta’ di alcuni materiali nota come superconduttivita’: questi materiali quando sono raffreddati al di sotto di una certa temperatura (nota come temperatura “critica”) non offrono alcuna opposizione al passaggio della corrente e di fatto hanno una resistenza nulla. Questo implica che una volta che la corrente e’ instaurata nel dipolo, nessuna batteria e’ necessaria per farla continuare a scorrere. Il prezzo da pagare e’ che dell’energia e’ necessaria per tenere il dipolo raffreddato al di sotto della temperatura critica. Questa specie di frigorifero e’ chiamato “sistema criogenico”. Nonostante tutto, alla fine l’uso della superconduttivita’ e’ un grande vantaggio (anche in termini di bolletta elettrica). A LHC i magneti saranno tenuti ad una temperature di 1.9 K. E’ una temperatura estremamente bassa: e’ -271.25 C, cioe’ circa 1.9 gradi sopra la temperatura dello zero assoluto. E’ piu’ fredda del punto piu’ remoto nello spazio cosmico dove la temperatura e’ 2.7 K grazie alla presenza della radiazione di fondo cosmica. Questo e’ ottenuto tenendo i dipoli in un bagno di elio superfluido a pressione atmosferica. Ci sono vari materiali che esibiscono il fenomeno della superconduttivita’. I fili di LHC sono fatti di una lega di niobio e titanio (NbTi). Questi sono disposti in cavi con un disegno particolare e avvolti lungo tutti i dipoli. Le tolleranze di costruzione devono essere piccolissime (pochi micron) e la struttura deve essere estremamente robusta per non muoversi sotto le forti forze causate dal campo magnetico. Circa 7600 km di cavo sono necessari per i dipoli di LHC. Come funziona la superconduttivita’? E’ ben noto che la resistivita’ dei metalli cambia con la temperatura. In un conduttore, per esempio il rame, il flusso di corrente in esso puo’ essere visto in maniera classica come il moto di elettroni attraverso il reticolo atomico del conduttore sotto l’influsso di un campo elettrico. La resistenza viene dalle collisioni degli elettroni con gli atomi fissi nel reticolo nelle quali gli elettroni perdono un po’ della loro energia. L’energia e’ convertita in calore. Se la temperatura aumenta, l’energia cinetica degli atomi aumenta e aumenta anche la probabilita’ per gli elettroni di perdere la loro energia nelle collisioni. Viceversa la resistenza decresce se la temperatura decresce. Questo e’ stato verificato per temperature al di sotto della temperatura ambiente. Il modello ha molte limitazioni incluso il fatto che non spiega la dipendenza funzionale osservata della resistivita’ con la temperatura. Non e’ chiaro da questo modello cosa succederebbe se la temperatura fosse ridotta ulteriormente fino allo zero assoluto. Quello che e’ stato osservato sperimentalmente per la prima volta nel 1911 e’ che alcuni materiali portati sotto una certa temperatura mostravano all’improvviso una resistenza nulla. Deve essere chiaro che questo effetto non ha niente a che fare con la diminuzione della resistivita’ al di sotto della temperatura ambiente. E’ un fenomeno completamente nuovo, al quale fu dato il nome di superconduttivita’. Per esempio, lo stesso rame, che a temperatura ambiente e’ un buon conduttore, non e’ un superconduttore. Per capire profondamente la conduzione e in particolare la superconduttivita’, la meccanica classica non e’ abbastanza e bisogna rivolgersi alla meccanica quantistica. Questo e’ dovuto al fatto che gli elettroni sono coinvolti nel processo di conduzione e gli elettroni obbediscono alle leggi della fisica quantistica. 2 3 Oltre alle sue applicazioni in fisica delle particelle ad alta energia, la superconduttivita’ ha una importante applicazione medica dato che magneti superconduttori sono usati nella risonanza magnetica (anche nota come MNR, risonanza magnetica nucleare) Nel corso degli anni parecchi studi hanno cercato di trovare materiali che esibiscono superconduttivita’ ad alte temperature. Un grosso passo avanti e’ stato fatto quando sono stati scoperti materiali che diventano superconduttori al di sopra di 77 K (il punto di ebolizzione dell’azoto). Questo ha importanti implicazioni pratiche dato che per raffreddare i magneti puo’ essere usato il piu’ economico e piu’ facile da usare azoto liquido. Una teoria completamente soddisfacente della superconduttivita’ in questi cosiddetti superconduttori ad alta temperatura non e’ ancora disponibile.