Acceleratori di particelle

Come vengono scoperte le particelle?
Dal punto di vista teorico, le ipotesi, le teorie, le formule, le
dimostrazioni consentono di ipotizzare l’esistenza di
particelle.
Dal punto di vista pratico è necessario un lungo studio di
ricerca, di sperimentazioni, di applicazioni, di molta pratica, di
molta pazienza. Alcuni scienziati aspettano decenni prima di
vedere verificata sperimentalmente una ipotesi, altri…
… le particelle? Cosa sono?
La particella è una parte di qualche cosa, che compone un
elemento più grande; essa “dovrebbe” essere indivisibile.
… le particelle? Cosa sono?
Le particelle elementari che compongono l’universo si
possono distinguere in:
-particelle-materia, di tipo fermionico (elettroni, neutrini e
quark, tutti dotati di massa);
- particelle-forza, di tipo bosonico, portatrici delle forze
fondamentali esistenti in natura (fotoni e gluoni, privi di
massa, e i bosoni W e Z dotati di massa).
… le particelle? Cosa sono?
Il “modello standard” contempla diverse altre particellemateria instabili che esistono in determinate condizioni per
un tempo variabile, ma comunque brevissimo, prima di
decadere in altre particelle.
E poi c’è il bosone di Higgs …
Relativamente al termine "particella", va notato che la
meccanica quantistica ha superato la rigida distinzione tra
particelle e onde che aveva caratterizzato la fisica del XIX
secolo. Infatti, nel XX secolo, a partire da Planck e Einstein,
è stato dimostrato che le onde presentano aspetti
corpuscolari mentre la materia presenta aspetti ondulatori, tra
loro indissolubilmente legati.
La scoperta dell’elettrone
Le prime prove sperimentali dell'esistenza dell’elettrone si ebbero nel 1860,
quando William Crookes effettuò esperimenti con il tubo di Geissler, inserendovi
due lamine metalliche e collegandole a un generatore di corrente continua a
elevato potenziale (circa 30 000 V).
Durante gli anni settanta del XIX secolo, il fisico e chimico inglese Sir William
Crookes sviluppò il primo tubo catodico con un vuoto spinto
all'interno, dimostrando che i raggi luminescenti che appaiono all'interno del
tubo trasportanoenergia e si muovono dal catodo all'anodo. Inoltre, applicando
un campo magnetico, fu in grado di deflettere i raggi.
Nel 1879, Crookes avanzò l'idea che queste proprietà potessero essere
spiegate da quella che denominò "materia radiante" e suggerì che si doveva
trattare di un nuovo stato della materia, consistente di molecole cariche
negativamente che sono espulse ad alta velocità dal catodo.
La scoperta dell’elettrone
]
La scoperta dell’elettrone
Nel 1896, il fisico britannico J. J. Thomson e i suoi colleghi J. S. Townsend e H.
A. Wilson, svolsero una serie di esperimenti che dimostrarono che i raggi
catodici fossero costituiti da singole particelle, piuttosto che onde, atomi o
molecole come si riteneva in precedenza.
La scoperta del neutrone
Nel 1930, in Germania, Walther Bothe e Herbert Becker osservarono che se le
particelle alfa del polonio, dotate di grande energia, incidevano su nuclei di
elementi leggeri (berillio, boro e litio), veniva prodotta una radiazione
particolarmente penetrante; in un primo momento si ritenne che potesse trattarsi
di radiazione gamma.
Tra il 1931 e il 1932 Irène Curie e il marito Fréderic Joliot-Curie a Parigi
mostrarono che questa radiazione misteriosa, se colpiva paraffina o altri
composti contenenti idrogeno, ne provocava l'espulsione di protoni di alta
energia.
All'inizio del 1932, il fisico inglese James Chadwick eseguì una serie di
misurazioni che mostrarono come l'ipotesi dei raggi gamma non fosse in grado
di spiegare completamente i dati sperimentali. Egli ipotizzò che la radiazione
penetrante del berillio consistesse in particelle neutre dotate di massa
approssimativamente uguale a quella dei protoni
La scoperta del protone
Il nome "protone" venne introdotto nel 1920 da Ernest
Rutherford, al quale viene attribuita tradizionalmente la
scoperta, sebbene esperimenti precedenti, fra cui quelli
condotti dai fisici Eugene Goldstein e Wilhelm Wien (1885)
avessero messo in luce l'esistenza di particelle con
carica positiva.
La teoria dei quark venne avanzata per la prima
volta nel 1964 da Murray Gell-Mann e George
Zweig che ipotizzarono di poter spiegare le
proprietà di molte particelle considerandole
composte da quark elementari.
La scoperta del quark
Ma sperimentalmente … ?
La scoperta del quark
La scoperta del quark
La scoperta del quark
Lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) è un laboratorio nazionale
statunitense che opera presso la Stanford University per il dipartimento
dell’energia degli USA. Fu costruito nel 1962 e si trova sulla Sand Hill Road di
Menlo Park, in California.
Gli acceleratori di particelle hanno consentito di scoprire tante particelle
utilizzando campi elettromagnetici ed accelerando sempre di più le particelle
1)
2)
3)
3)
4)
Elettrostatico di Van De Graaff (elettrostatico) – 1931 – 10-20 MV
Tandem di Van De Graaff – 20-40 MV
Circuito moltiplicatore o Cockcroft-Walton – 1932 LINAC – LINear Accelerators
Ciclotrone – Lawrence – 1930 – 500MeV
Dagli anni trenta del secolo scorso, la ricerca prosegue questa strada
5) Sincrotrone – 1950-1960
Uno dei primi grandi sincrotroni operativi è stato il Bevatron del Lawrence Berkeley
National Laboratory, costruito nel 1954. Venne così chiamato perché la sua energia iniziale era
dell'ordine dei 6,3 GeV
Generatore di Cockcroft–Walton
Acceleratore lineare Van de Graaff a stadio
singolo da 2 MeV, aperto per la
manutenzione. (1960)
Acceleratore lineare Van de Graaf
Laboratori Nazionali del Sud
Instituo Nazionale di Fisica Nucleare
Catania - 15 MV – Anni 1980
Le radiazioni piu` utilizzate oggi in
„teleterapia‟ sono i quanti del campo
elettromagnetico o. „fotoni‟ ... Vi sono oggi
negli ospedali del mondo piu` di 15.000
linac su un totale di più di 20.000
acceleratori di tutti i tipi e usi, che
accelerano particelle a .....
Diagramma del ciclotrone di Lawrence Dal suo brevetto del 1934 – Nobel 1939
Ciclotrone Superconduttore K800 in pieno
esercizio dal 1996 – INFN – LNS - Catania
Ciclotrone Superconduttore K800 in pieno
esercizio dal 1996 – INFN – LNS - Catania
e ancora oggi continua con
LHC
Gli sforzi mondiali si sono concentrati sulla costruzione del grande acceleratore LHC (Large Hadron Collider)
al CERN, inEuropa. Si tratta di un incremento notevole nella tecnologia degli acceleratori e di tutte le
tecnologie accessorie (superconduttività, refrigerazione, rivelatori, analisi dei dati ecc). La macchina,
inaugurata ufficialmente il 21 ottobre 2008, ha raggiunto energie di 7 TeV nel 2010, due anni dopo sono state
effettuate collisioni all'energia record di 8 TeV, record che verrà nuovamente superato nel 2015 quando LHC
inizierà a raggiungere la sua energia finale definitiva: 14 TeV
e domani?
Anche nel futuro si continuerà a lavorare con gli acceleratori.
ILC (Giugno 2013)
Che cosa è un acceleratore?
Come è fatto?
Per rompere una particella ci vuole un urto ad elevatissima energia
http://www.treccani.it/enciclopedia/acceleratori-diparticelle_%28Enciclopedia_dei_ragazzi%29/