Gli acceleratori di
particelle
Vengono presentate le principali tecniche di
accelerazione di particelle con particolare
riferimento al loro uso per ricerche di Fisica
fondamentale al CERN
Luciano Ramello
Universita’ del Piemonte Orientale
Questa conferenza puo’ essere abbinata alla seguente:
Particelle elementari ed
esperimenti al CERN
Vengono presentate le conoscenze attuali
sulle particelle elementari che
costituiscono la materia, nonchè alcuni
esperimenti completati recentemente al
CERN, ed altri di prossima realizzazione
al LHC, tra cui l’esperimento ALICE
In questa conferenza dovro’ comunque fare riferimento alla
fisica nucleare-particellare, che costituisce la motivazione
fondamentale per lo sviluppo degli acceleratori.
dicembre 2006
L. Ramello
2
Sommario
Perche’ accelerare le particelle ?
Prima degli acceleratori:
Atomi e nuclei 1896-1927
Primi sviluppi 1928-1945
Acceleratori elettrostatici
Il ciclotrone
L’era degli acceleratori 1946-…
Il sincrotrone
Anelli di accumulazione
Applicazioni: non solo ricerca di base
dicembre 2006
L. Ramello
3
La scienza risponde ai perché
Quando ci chiediamo: ”perché accade una certa
cosa ?”, ci sono due interpretazioni possibili:
Quali precedenti circostanze hanno causato
il fenomeno ?
(Come funziona ? Di che cosa è fatto ? Cosa c’è
dentro ?)
Esempio: perché i pianeti girano intorno al sole?
La scienza risponde a questo tipo di domande
A quale scopo il fenomeno accade ? (Questa
cosa a che serve?)
Esempio: a cosa servono i pianeti? Perché
esistono?
Per rispondere a questa domanda occorre avere
una causa finale. La scienza non sa e non può
rispondere a questa domanda. È’ il campo della
filosofia e/o della religione.
dicembre 2006
L. Ramello
4
Come facciamo a vedere gli atomi ?
Gli atomi
(e i nuclei,
a maggior
ragione)
sono troppo
piccoli per
essere visti con
gli occhi ...
... si “bombardano” con delle
particelle più piccole e si osserva
come “rimbalzano” quando
colpiscono l’atomo / il nucleo
dicembre 2006
L. Ramello
5
Perché accelerare le particelle ?
Visione con una
lampada e gli occhi.
Visione con un
acceleratore ed un
rivelatore di particelle.
Aumentando l’energia
della particella migliora la
risoluzione con la quale si
“vede” l’oggetto
dicembre 2006
L. Ramello
6
Prima degli acceleratori
A partire da fine ’800 lo studio della scarica
elettrica nei gas porto’ alle prime scoperte sulla
struttura atomica e nucleare:
Roentgen (1895) raggi X
Becquerel (1896) radioattivita’ naturale (U)
J. J. Thomson (1896) elettrone
1a particella identificata
M. Curie (1898) elementi radioattivi Ra e Po
Rutherford, Soddy (1903) teoria del decadimento
radioattivo
I primi proiettili utilizzati per sondare l’atomo erano:
elettroni accelerati da campi elettrici,
raggi e prodotti da decadimenti radioattivi naturali
dicembre 2006
L. Ramello
7
L’esperimento di Rutherford (1911)
Rutherford, Geiger e Mardsen bombardarono
con particelle α (nuclei di elio) una sottile
lamina d’oro ed osservarono le particelle α
deflesse su uno schermo scintillante:
microscopio
una volta su 20000 le α
avevano un angolo di
diffusione > 90º
Lamina d’oro
punto di partenza per il
Sorgente di α
modello planetario dell’atomo
(Rutherford) e il primo modello
quantistico (Bohr, 1913)
Le particelle α (He++) sono fortemente ionizzanti e quindi poco
penetranti (pochi cm di aria), le loro energie vanno da 1 a 5 MeV
dicembre 2006
L. Ramello
8
La prima reazione nucleare
α+14N→17O+p
misurando le velocita’ delle particelle
coinvolte, Rutherford (1919) dimostro’ che
uno dei due prodotti era una particella
di massa all’incirca uguale a quella dell’atomo
di idrogeno, che venne chiamata protone 2a particella identificata
Presto divenne chiaro che le particelle
α, a causa dell’energia limitata (5 MeV)
e della repulsione dovuta alla loro
carica (+2e), non erano i proiettili piu’
adatti a studiare i nuclei.
Inizio’ quindi lo sviluppo dei primi
acceleratori di protoni / ioni leggeri.
dicembre 2006
L. Ramello
9
Primi sviluppi degli acceleratori
1927 E. Rutherford disse alla Royal Society: “... if it were
possible in the laboratory to have a supply of electrons and
atoms of matter in general, of which the individual energy of
motion is greater even than that of the alfa particle, .... this
would open up an extraordinary new field of investigation....”
Ma gli unici dispositivi all’epoca erano tubi a raggi X che
acceleravano elettroni fino a qualche centinaio di keV
1929 G. Gamow dimostro’ che in meccanica quantistica esiste
una probabilita’ non nulla che una particella di energia 1 MeV
superi per “effetto tunnel” la barriera repulsiva Coulombiana
dei nuclei leggeri
Questo incoraggio’ J. Cockroft ed E. Walton (collaboratori di
Rutherford) a studiare metodi per accelerare fasci di particelle
fino a qualche centinaio di keV:
nel 1932 costruirono il primo vero acceleratore con un fascio
collimato di protoni a 400 keV
dicembre 2006
L. Ramello
10
L’acceleratore di Cockroft e Walton
Energia cinetica:
T = q V
Tecnologia:
- Alta tensione
- Colonna a vuoto
Limiti:
Scarica in aria
Tensioni disponibili
dicembre 2006
L. Ramello
11
Prima reazione nucleare da protoni
Fascio di protoni da 250-400
keV
p+7Li → +
L’energia cinetica totale delle due
particelle e’ circa 17 MeV
La differenza di massa moltiplicata
per c2 e’ 14.3 ± 2.7 MeV
dicembre 2006
L. Ramello
12
Il moltiplicatore di tensione C-W
dicembre 2006
L. Ramello
13
L’acceleratore Van de Graaff
Per ottenere energie piu’ elevate: nuove idee per i sistemi di
carica e di isolamento
Una cinghia isolante
raccoglie le cariche
attraverso un
“pettine” da un
terminale e le
trasferisce
all’interno di una
sfera conduttrice cava
Alte tensioni ottenute:
dapprima 5 MV,
poi fino a 25 MV
dicembre 2006
L. Ramello
14
Accelerazione multipla
Una tensione alternata viene comunicata ai “tubi a deriva” 1,2,3, …
- all’interno di un tubo la particella si muove a velocita’ costante
- tra due tubi viene accelerata
- i tubi devono essere via via piu’ lunghi per mantenere il sincronismo
con la fase della tensione alternata
dicembre 2006
L. Ramello
15
Prototipi di acceleratore lineare
Wideroe nel 1927 realizza il primo prototipo con due sezioni
che accelera ioni fino a 50 kV con un generatore da 25 kV, 50 Hz
Sloan e Lawrence nel 1931 realizzano un acceleratore con 20 sezioni
che accelera ioni Hg+ fino a 1.26 MV
dicembre 2006
L. Ramello
16
Un acceleratore lineare del CERN
LINAC di Alvarez: radiofrequenza ~ centinaia di MHz
dicembre 2006
L. Ramello
17
L’idea del ciclotrone
E.O. Lawrence nel 1929 leggendo un articolo di Wideroe
ha l’idea di usare lo stesso “gap” molte volte facendo
curvare la traiettoria delle particelle con un campo
magnetico (invece di usare molti “gap”)
Linee di forza del
campo magnetico
Linee di forza del
campo elettrico
frequenza angolare del ciclotrone:
= eB / mc [rad/s]
non dipende dal raggio di curvatura
Elettrodo cavo a forma di “D”
dicembre 2006
L. Ramello
18
La repubblica del ciclotrone
E.O. Lawrence ottiene il premio Nobel nel 1939
dicembre 2006
L. Ramello
E,
anno
dim.
$
1930
4”
25
1931
11”
800
1932
27”
10K
1937
37”
8
1939
60”
20
1946
184”
MeV
1.5M
19
1.1
200
Scoperte mancate (a Berkeley) …
Nei primi anni del ciclotrone Lawrence era
essenzialmente preoccupato dal progetto
della macchina e non curo’ molto gli
esperimenti
Percio’ gli sfuggirono alcune scoperte di
fenomeni che fu in grado di riprodurre con
il ciclotrone poche ore dopo l’annuncio:
Radioattivita’ artificiale
Radioattivita’ indotta da neutroni
Fissione dell’uranio indotta da neutroni
dicembre 2006
L. Ramello
20
La radioattivita’ artificiale
Irène Curie e Frédéric
Joliot, Parigi, gennaio 1934
Po
e+
Al
L'emissione di positroni persiste
anche dopo l'allontanamento
della sorgente
+ 13Al27
30 + n
P
15
31
15P :
isotopo stabile
30
15P :
isotopo radioattivo + non esistente in natura
dicembre 2006
L. Ramello
21
Radioattivita’ indotta da neutroni
Fermi e collaboratori,
Roma, 1934
emissione
radioattiva
Rn-Be
n
A
X
Z
62 elementi irradiati
in 37 almeno un nuovo prodotto radioattivo
50 nuovi radionuclidi identificati con la vita media
di 16 identificata la natura chimica
dicembre 2006
L. Ramello
22
I neutroni lenti
Fermi e collaboratori, 22 ottobre 1934
neutroni
veloci
Rn-Be
H
neutroni
lenti
Ag
sostanza idrogenata
(paraffina, acqua, ecc.)
L'intensità dell'attivazione aumenta di un fattore che
varia da alcune decine ad alcune centinaia.
dicembre 2006
L. Ramello
23
La fissione dell’uranio
Hahn e Strassmann (Berlino, 1938) trovano che l'uranio irradiato
con neutroni produce quattro isotopi del radio la cui formazione
può essere spiegata solo in modo molto problematico ...
“Dobbiamo concludere che i nostri 'isotopi del radio' hanno le
caratteristiche chimiche del bario” (22 dicembre 1938, pubblicato
su Die Natürwissenschaften il 6 gennaio 1939)
Durante le vacanze di Natale in
Svezia, Lise Meitner e Otto Frisch si
rendono conto che il processo di
fissione deve dare luogo a due
nuclei con Z 40-50 (bario,
lantanio, ...) ed energia cinetica
totale 200 MeV
L. Meitner, O. Frisch Nature,
febbraio 1939
11
O. Frisch Nature, 18 febbraio 1939
dicembre 2006
L. Ramello
24
… e scoperte fatte a Berkeley
Elemento Z=43 Tc (1937) con E. Segre’ (primo
elemento artificiale)
Elemento Z=93 Np (1940)
Elemento Z=94 Pu (1941) fissionabile
Sintesi del 14C (radiocarbonio)
Produzione di radioisotopi per uso medico
Produzione di mesoni (1948)
Inoltre a Berkeley durante e dopo la II guerra mondiale maturano
nuove idee di acceleratori:
- l’acceleratore lineare di Alvarez (LINAC)
- il sincrociclotrone (diminuzione della radiofrequenza all’aumentare
dell’energia dei protoni, necessaria per E > 20 MeV)
- il sincrotrone che sfrutta il principio della stabilita’ di fase
(McMillan, 1946; indip. Veksler in Unione Sovietica, 1945)
dicembre 2006
L. Ramello
25
La stabilita’ di fase
Problema: le particelle del fascio non hanno esattamente la stessa
energia, quelle di energia minore (maggiore) della media
tendono a portarsi su una orbita con raggio di curvatura minore
(maggiore) e arrivano sfasate al giro successivo
La particella e’ sull’orbita
centrale e resta sempre in
fase;
La particella e’ in ritardo:
trova una ddp minore, la sua
velocita’ angolare aumenta
e al giro successivo recupera
una parte del ritardo.
Aumentando lentamente il campo magnetico a raggio di curvatura
e frequenza costanti si aumenta l’energia del fascio
dicembre 2006
L. Ramello
26
Principio del sincrotrone
dicembre 2006
L. Ramello
27
Primi sincrotroni (weak focusing)
Sincrotrone a protoni da 3 GeV
al Brookhaven National Laboratory
(Long Island, NY)
Sincrotrone a elettroni
da 1 GeV a Frascati
dicembre 2006
L. Ramello
28
I dipoli di curvatura
I: corrente negli avvolgimenti
del magnete
B: campo magnetico
v: velocita’ della particella
F: forza di Lorentz
: raggio dell’orbita
I magneti dipolari di curvatura servono a mantenere una traiettoria
circolare, per applicare molte volte il campo elettrico delle cavita’
a radiofrequenza (RF)
dicembre 2006
L. Ramello
29
I quadrupoli di focalizzazione
Le componenti x e y della forza di
Lorentz che agisce su una particella
di carica positiva entrante nel piano
del disegno sono:
Fx = -g x
Fy = g y
La forza aumenta linearmente con lo
spostamento dalla traiettoria ideale.
L’effetto e’ focalizzante nel piano
orizzontale (H) ma defocalizzante
in quello verticale (V) … come fare ?
dicembre 2006
L. Ramello
30
Focalizzazione forte
L’effetto di una “lente” magnetica (quadrupolo) defocalizzante
seguita da una focalizzante e’ complessivamente focalizzante
La focalizzazione forte e’ stata inventata da Christofilos
e da Courant, Livingston e Snyder (1950-1952)
dicembre 2006
L. Ramello
31
Anelli di accumulazione
Wideroe nel 1943 propone di utilizzare collisioni
frontali di due fasci per sfruttare al meglio l’energia
cinetica disponibile
Kerst, O’Neill e altri nel 1956, visti i progressi
nell’intensita’ dei fasci prodotti dai sincrotroni,
propongono collisioni p-p ed e-e
Nel 1957 O’Neill e altri iniziano il progetto del
Princeton-Stanford e-e- Collider, che ottiene i primi
fasci accumulati nel 1962 con 500 MeV per fascio
B. Touschek a Frascati propone nel 1960 il primo
Anello di Accumulazione e+e- “AdA”, utilizzando come
iniettore l’elettrosincrotrone da 1.1 GeV (e in seguito il
sincrotrone da 2 GeV di Orsay)
dicembre 2006
L. Ramello
32
Ada a Frascati e ad Orsay
Primi elettroni e
positroni circolanti
in Ada dopo un solo
anno dal seminario
di B. Touschek
Dopo che l’intensita’ del fascio fornito
dal sincrotrone di Frascati si era rivelata
insufficiente, AdA fu trasportato a Orsay
per utilizzare come iniettore il
sincrotrone da 2 GeV
dicembre 2006
L. Ramello
33
ADONE a Frascati
Progetto iniziato nel 1961
Inizio costruzione nel 1963
Primi risultati di fisica nel 1968
Molti problemi di fisica degli acceleratori (instabilita’)
affrontati e risolti
Energia: 1.5 + 1.5 GeV
dicembre 2006
L. Ramello
34
L’anello ISR (p-p) al CERN
Primo anello di accumulazione p-p
Progetto iniziato nel 1965
In funzione nel 1971
Energia: 31 + 31 GeV
Correnti record: 57 A per fascio
S. Van der Meer invento’ per l’ISR il raffreddamento stocastico
(tecnica per smorzare le fluttuazioni casuali di densita’ del fascio)
che venne poi utilizzato nel collisionatore protone-antiprotone del
CERN (S. Van der Meer ottenne il premio Nobel nel 1984 con C. Rubbia)
dicembre 2006
L. Ramello
35
L’anello LEP al CERN (1989-2000)
dicembre 2006
L. Ramello
36
Le cavita’ a radiofrequenza di LEP
dicembre 2006
L. Ramello
37
Il complesso di acceleratori al CERN
Il tunnel del LEP (Large Electron Positron collider) viene riutilizzato per far
collidere protoni oppure ioni pesanti nel Large Hadron Collider (LHC)
dicembre 2006
L. Ramello
38
I magneti di curvatura di LHC
dicembre 2006
L. Ramello
39
Energia nel centro di massa
Sviluppo degli anelli di accumulazione
LHC al CERN: primi fasci p-p
previsti nell’autunno 2007,
primi fasci Pb-Pb nel 2008
Il prossimo acceleratore di
alta energia sara’ e+e-,
probabilmente l’International
Linear Collider (ILC)
anno di messa in funzione
dicembre 2006
L. Ramello
40
Acceleratori: oltre la ricerca …
I sistemi di accelerazione dedicati alla ricerca sono solo il 6.7%
del totale, la maggioranza e’ dedicata alla medicina e all’industria
dicembre 2006
L. Ramello
41
La luce di sincrotrone
Gli elettroni accelerati su traiettorie
curvilinee emettono fotoni con uno spettro
continuo di energie, la “luce di sincrotrone”
L’anello ELETTRA
presso Trieste
I fasci molto intensi di
fotoni che emergono
dalle varie “inserzioni”
sull’anello vengono usati
per studi sui materiali,
sulla fisica medica, etc.
dicembre 2006
L. Ramello
42
Progressi della protonterapia
dicembre 2006
L. Ramello
43
Centri di adroterapia nel mondo
dicembre 2006
L. Ramello
44
Risultati ottenuti con acceleratori
dicembre 2006
L. Ramello
45
