Come esplorare l'infinitamente piccolo:
un viaggio nel mondo degli acceleratori di particelle
David Alesini
Divisione Acceleratori
LNF-INFN
D. Alesini - Incontri di Fisica 6-8 Ottobre 2004
Sommario
A cosa servono gli acceleratori di particelle
Principio di funzionamento di un acceleratore di particelle e
principali tipologie
Lineari (Elettrostatici…Futuri Collisori Lineari)
Circolari (Ciclotroni…Anelli di accumulazione e sincrotroni)
DAФNE (LNF)
Applicazioni (oltre alla ricerca fondamentale…)
Medicina: radioterapia e adroterapia
Analisi molecolare, cellulare, cristallografica
Industria: impiantazione ionica, produzione di isotopi,
smaltimento scorie radioattive
FEL
Alcuni Acceleratori attualmente in funzione nel mondo…
…e progetti futuri
D. Alesini - Incontri di Fisica 6-8 Ottobre 2004
A cosa servono gli acceleratori di particelle
I primi acceleratori di particelle furono realizzati per studiare i costituenti più piccoli della materia.
Un fascio di particelle (elettroni, positroni, protoni, ioni,…) che
colpisce una targhetta o collide con un altro fascio produce
reazioni nucleari, annichilazioni e crea nuove particelle. Lo
studio di questi fenomeni con i rivelatori…
…fornisce informazioni sui costituenti
ultimi del nostro universo e sulle leggi
che li governano
…consente di
capire l’origine
dell’Universo
che ci circonda
e di studiarne
l’evoluzione
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I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare
e subnucleare erano sorgenti naturali: particelle alfa,
raggi cosmici.
La capacità di rompere le barriere elettrostatiche
intorno ai nuclei aumenta con l’energia: per esempio
l’energia massima delle particelle alfa è solo 10 MeV
mentre i raggi cosmici, anche quando molto energetici,
non sono prevedibili.
Gli acceleratori di particelle nascono dalla necessità di
creare collisioni ad elevata energia e ripetibili in modo
da poter effettuare studi sistematici.
I primi studi sugli acceleratori risalgono agli anni ’20..
I primi acceleratori agli anni ’30.
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La capacità di “creare” nuove
particelle e di “rompere” i legami
nucleari aumenta con l’energia e con
la quantità di particelle coinvolte
nell’ interazione.
Diagramma dell’energia degli acceleratori dal
1930
Lo sviluppo degli acceleratori per la
fisica delle alte energie è stato
determinato dalla necessità di
ottenere energie e intensità di fasci
sempre maggiori.
Un incremento di
3 ordini di
grandezza ogni 20
anni!
L’unità di misura dell’energia delle particelle è
l’elettronvolt [eV] pari all’energia di un elettrone
accelerato da una differenza di potenziale (ddp)
elettrostatico di 1 volt: 1 eV=1.6x10-19 J
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Principio di funzionamento di un acceleratore di particelle
GENERAZIONE
PARTICELLE DA
ACCELERARE
(e-,p,ioni)
E’ necessaria una forza esterna
(MAGNETICA
o
ELETTRICA) che focheggi il
fascio.
I fasci di particelle cariche devono
essere energetici perche’ siano utili,
è quindi necessaria una forza
(ELETTRICA) che li acceleri.
ACCELERAZIONE
In generale i fasci sono costituiti
da tanti pacchetti consecutivi,
ognuno contenente un numero
enorme di particelle di uguale
carica.
COLLISIONE CON
ALTRO FASCIO
ACCUMULAZIONE
TARGHETTA FISSA
ONDULATORE PER
FEL
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Accelerazione = aumento di energia
Velocità delle particelle
normalizzata alla velocità della luce
in funzione dell’energia
β= v/c
La variazione di velocità è
trascurabile al di sopra di
una certa energia!
e- relativistici ( v c ) a E> 1MeV
p relativistici a E> 1000 MeV
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Equazione che descrive il moto di una particella in un
acceleratore
dp
q E vB
dt
p momento
m massa
v velocità
q carica
ACCELERAZIONE
E campo elettrico
CURVATURA E FOCHEGGIAMENTO
B campo magnetico
Campo elettrico
fascio
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Tipologia degli acceleratori di particelle
I diversi tipi di acceleratori si suddividono in base al processo di accelerazione in:
Lineari
Circolari
Ciclotrone 1930
Betatrone 1940
Sincrotrone 1945
Microtrone 1946
Lo sviluppo degli acceleratori è
avvenuto lungo due binari
paralleli
Anche gli acceleratori utilizzati negli esperimenti di Fisica delle
alte energie (Collisori o Collider) si distinguono in:
SINCROTRONI, ANELLI DI
ACCUMULAZIONE
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COLLIDER LINEARI
Primi Acceleratori Lineari Elettrostatici
Il primo acceleratore fu un apparecchio, realizzato da Roentgen (Premio Nobel), costituito da
un’ampolla a vuoto con dentro un catodo connesso al polo negativo di un generatore di tensione.
Riscaldato, il catodo, emetteva elettroni che fluivano accelerati dal campo elettrico verso l’anodo (a
tensione positiva). Dall’urto con l’anodo gli e- producevano raggi X.
Gli elettroni sono estratti dal catodo e, viaggiando verso l’anodo
positivo, acquistano un’energia uguale alla loro carica moltiplicata
per la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo
X
catodo
L’esempio più semplice di
generatore di e- è un filamento
caldo, come quello di una
lampadina
PRINCIPIO:
La differenza di potenziale tra due
elettrodi viene usata per accelerare le
particelle.
dp
q E vB
dt
anodo
e-
+
L’energia massima raggiungibile è
data dal limite di d.d.p. Oltre tale
limite si possono avere scariche
elettriche
E qV
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Per aumentare l’energia massima delle particelle accelerate
Van de Graaff pensò realizzare un generatore elettrostatico nel
quale le cariche, per mezzo di una cinghia non conduttrice,
venivano trasportate ad un terminale isolato nel quale veniva
posta la sorgente di particelle.
Pressurizzando il contenitore dell’acceleratore si
possono ottenere differenze di potenziale fino a 15
MV e quindi energie fino a E ~ 15MeV.
APPLICAZIONI
Ad oggi ce ne sono ~350 nel mondo e, tipicamente,
V<5MV I<100mA. Sono usati per:
Analisi dei materiali:
ad es. Controllo struttura semiconduttori;
emissione raggi X;
Modifica dei materiali:
impiantazione ionica
semiconduttori
per
l’industria
dei
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Moderni Acceleratori Lineari
PRINCIPIO:
Le particelle emesse da un filamento vengono
accelerate dal campo elettrico longitudinale
generato da elettrodi susseguenti.
L’idea di Ising (1924) fu applicata da Wideroe (1927) che
applicò una tensione variabile nel tempo (sinusoidale) ad
una sequenza di tubi di drift. In questo caso le particelle
non sentono campo accelerante quando si muovono
all’interno di ciascun tubo di drift (regione di spazio
equipotenziale) e vengono accelerate in corrispondenza
dei gaps. Tali strutture si chiamano LINAC a Tubi di
Drift (DTL).
gap
Se la lunghezza dei tubi cresce con la velocità
delle particelle in modo tale che il tempo di
attraversamento di ciascun tubo sia sempre
uguale a mezzo periodo del generatore di
tensione, è possibile sincronizzare la tensione
accelerante col moto delle particelle ed ottenere
un guadagno di energia ∆E=q∆V ad ogni
attraversamento di un gap.
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DA WIDEROE...
...AL LINAC DI ALVAREZ
La struttura di Alvarez è molto utilizzata nell’accelerazione di
protoni e ioni di medio-bassa energia. Essa può essere descritta
come uno speciale DTL in cui gli elettrodi sono parte di una
macrostruttura risonante.
Nasce il concetto
di accelerazione
con cavità RF
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Accelerazione con campi elettrici a radiofrequenza
Dall’idea di Wideroe (1927) di applicare, al posto di un campo elettrico statico, un campo oscillante con frequenza
opportuna tale che la fase cambi di π durante il tempo di volo fra due gap successivi si è progressivamente passati al
concetto di accelerazione con campi a radiofrequenza.
Campo elettrico
fascio
La struttura accelerante consiste in una cavità risonante in cui viene accumulata l’energia di campi elettromagnetici RF.
Similmente ai DTL, la struttura deve essere tale che il campo elettrico oscillante sia sincronizzato con fascio.
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Principio di stabilità di fase in caso di accelerazione con campi RF
Il campo accelerante è una sinusoide. Le
particelle che arrivano in anticipo
rispetto alla “posizione ideale” (detta
fase sincrona) verranno accelerate di
meno mentre quelle in ritardo vedranno
un campo più intenso. Le particelle
oscilleranno quindi attorno alla fase
corretta raggruppandosi
longitudinalmente in pacchetti (bunches)
Strutture a onda viaggiante
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IL LINAC DI STANFORD (SLAC)
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Sincrotroni e anelli di Accumulazione
PRINCIPIO: Campi magnetici usati per guidare la particelle cariche lungo un’orbita chiusa.
E.O.Lawrence (1930) ebbe la brillante idea di curvare le particelle su
una traiettoria circolare, facendole ripassare molte volte nello stesso
sistema di elettrodi.
dp
q E vB
dt
Se una particella relativistica di energia E0 attraversa una zona di campo
magnetico B perpendicolare alla sua traiettoria il raggio di curvatura R è:
R
E0
B
Particelle che viaggiano in un acceleratore lineare attraversano una
sola volta la struttura accelerante mentre in un acceleratore
circolare attraversano più volte la stessa cavità. Ad ogni giro tali
pacchetti acquistano energia grazie al campo elettrico accelerante
(a radiofrequenza) ma ne perdono a causa della RADIAZIONE DI
SINCROTRONE EMESSA nei magneti curvanti.
v = c = 300.000.000 m/s
DAΦNE: L=96 m: To ≈ 3.2 x 10-7 s -> in 1 secondo 3 milioni di giri
LEP:
L=27 Km: To ≈ 1 x 10-4 s -> in 1 secondo 10000 giri
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Focheggiamento trasverso
Il confinamento dei fasci all’interno della camera da vuoto è realizzato attraverso delle “lenti magnetiche” dette
QUADRUPOLI. Similmente a quanto accade nelle lenti ottiche una particella è tanto più focheggiata quanto maggiore
è la sua distanza dall’asse.
Il campo magnetico in un
quadrupolo
ha
una
intensità
proporzionale
allo spostamento dall’asse
Un quadrupolo focheggia il fascio in un
piano e lo defocheggia nell’altro. Il
focheggiamento complessivo del fascio è
realizzato facendo seguire a una lente
focheggiante una defocheggiante.
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La traiettoria
trasversa descritta da
ogni particella
all’interno del
pacchetto è una
pseudo-sinusoide. L’
inviluppo all’interno
del quale sono
confinate tutte le
particelle del
pacchetto è detto
funzione β.
Magneti in un acceleratore circolare
I sestupoli correggono l’effetto
cromatico dei quadrupoli
QUADRUPOLO
Particelle con diversa
energia vengono
focalizzate in modo
diverso: aberrazione
cromatica
DIPOLI – determinano la traiettoria di riferimento
QUADRUPOLI – mantengono le oscillazioni di tutte le
particelle intorno alla traiettoria di riferimento
SESTUPOLI – correggono l’effetto cromatico dei quadrupoli
Campo elettrico
fascio
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Spazio delle fasi delle particelle
L’energia, la posizione e il
momento trasverso hanno
distribuzioni tipo “gaussiane”
Le particelle di un fascio in un
acceleratore non hanno tutte la stessa
energia, posizione, divergenza
Generalizzando, il pacchetto di
particelle è, nello spazio delle
dimensioni (x,x’,y,y’,s,E), una
gaussiana a 6 dimensioni
y
Direzione di propagazione del fascio s
distribuzione
s
x
Coordinata s
Ogni piano del tipo (x,x’) oppure (y,y’)
viene detto SPAZIO DELLE FASI
L’area occupata dalle particelle in ogni
spazio delle fasi è detta EMITTANZA
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Radiazione di sincrotrone
Una particella carica che viaggia lungo una traiettoria curva emette fotoni, la cui energia
dipende dalla massa, dall’energia della particella e dal raggio di curvatura della traiettoria
1/(E/m0c2)
Radiazione ben collimata
Una particella carica che viaggia lungo una
traiettoria curva perde energia.
In un anello di accumulazione
l’energia persa viene compensata dalle
Cavità a RF
Energia persa per giro
4 ro E 4
U
2 3
3 mc
Massa
Energia
Raggio di curvatura della traiettoria
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Emissione di luce di sincrotrone
Campo magnetico
Energia della particella
4 ro E 4
E 3B
U
3
2
2 3
3 mc
mc
E
E/giro
m
(GeV)
(GeV)
DAΦNE
e+ 1
e- 1
0.51
0.51
.000006
.000006
PEP
e+ 14
e- 165
3.1
9.0
.0006
.0035
LEP
e+ 6086
e- 6086
100
100
1.5
1.5
7000
7000
.000007
.000007
LHC
p
p
2800
2800
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Fascio di DAΦNE sul monitor di luce di sincrotrone
Distribuzione trasversa
y 0.2mm
x 2mm
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Nascita dei moderni Collisori Circolari (Collider)
L’osservazione su “targhetta”
sincrotrone
bersaglio
S
L
/-
LINAC
e-,e+,p …
rivelatori
p, n, etc
La materia è vuota : ciò che non ha interagito viene perduto
Energia a disposizione dell’interazione dovuta solo al fascio
Il bersaglio è complesso: molte delle particelle prodotte disturbano l’esperimento
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L’idea di Touschek:
collisioni materia-antimateria
Frascati
La geniale idea di Bruno Touschek fu quella di utilizzare come particelle collidenti particelle ed
antiparticelle che, nella loro annichilazione, avrebbero rilasciato tutta la loro energia per creare nuove
particelle.
Rivelatore
Anello di
Accumulazione
ECM 2E1m2
ECM 2 E
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AdA (Anello di Accumulazione)
FRASCATI - 1961-1965
Registrazione dei primi elettroni
accumulati in AdA.
La vita media era 21 sec,
il numero medio 2.3
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I COLLIDERS materia-antimateria: una storia che parte e si sviluppa a
Frascati
ADONE a Frascati 1969-1993
DAFNE ADA a Frascati 1959
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Dove si prende l’antimateria?
L’universo, il nostro mondo sono formati da materia: elettroni, protoni, neutroni,…
I positroni, predetti nel 1927 da un matematico (Dirac), misurati qualche anno dopo in un esperimento con
raggi cosmici (Andersen), adesso si producono in laboratorio. (Così anche gli antiprotoni, l’antimateria dei
protoni, anche se la loro produzione e manipolazione è più complessa)
LINAC per e-
LINAC per e+
Sorgente di positroni di DAΦNE
Lente focheggiante
Alti campi magnetici
Targhetta
di Tungsteno D. Alesini - Incontri di Fisica 6-8 Ottobre 2004
Luminosità
•
la luminosità L di un collider è
una misura di quante interazioni
fascio-fascio stiamo producendo
Per aumentare la
luminosità si aumenta la
densità dei fasci
β
Numero di particelle per fascio
e
e-
N N
L
f collisione
4 x y [Cm sec ]
-2
-1
Dimensioni trasverse dei fasci:
Si può arrivare a pochi m (millesimi di mm)
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Luminosità
•
la luminosità L di un collider è
una misura di quante interazioni
fascio-fascio stiamo producendo
Per aumentare la
luminosità si aumenta la
densità dei fasci
β
Numero di particelle per fascio
e
e-
N N
L
f collisione
4 x y [Cm sec ]
-2
-1
Dimensioni trasverse dei fasci:
Si può arrivare a pochi m (millesimi di mm)
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Luminosità
•
la luminosità L di un collider è
una misura di quante interazioni
fascio-fascio stiamo producendo
Per aumentare la
luminosità si aumenta la
densità dei fasci
β
Numero di particelle per fascio
e
e-
N N
L
f collisione
4 x y [Cm sec ]
-2
-1
Dimensioni trasverse dei fasci:
Si può arrivare a pochi m (millesimi di mm)
D. Alesini - Incontri di Fisica 6-8 Ottobre 2004
Luminosità
•
la luminosità L di un collider è
una misura di quante interazioni
fascio-fascio stiamo producendo
Per aumentare la
luminosità si aumenta la
densità dei fasci
β
Numero di particelle per fascio
e
e-
N N
L
f collisione
4 x y [Cm sec ]
-2
-1
Dimensioni trasverse dei fasci:
Si può arrivare a pochi m (millesimi di mm)
D. Alesini - Incontri di Fisica 6-8 Ottobre 2004
Luminosità
•
la luminosità L di un collider è
una misura di quante interazioni
fascio-fascio stiamo producendo
Per aumentare la
luminosità si aumenta la
densità dei fasci
β
Numero di particelle per fascio
e
e-
N N
L
f collisione
4 x y [Cm sec ]
-2
-1
Dimensioni trasverse dei fasci:
Si può arrivare a pochi m (millesimi di mm)
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Luminosità
•
la luminosità L di un collider è
una misura di quante interazioni
fascio-fascio stiamo producendo
Per aumentare la
luminosità si aumenta la
densità dei fasci
β
Numero di particelle per fascio
e
e-
N N
L
f collisione
4 x y [Cm sec ]
-2
-1
Dimensioni trasverse dei fasci:
Si può arrivare a pochi m (millesimi di mm)
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Luminosità
•
la luminosità L di un collider è
una misura di quante interazioni
fascio-fascio stiamo producendo
Per aumentare la
luminosità si aumenta la
densità dei fasci
β
Numero di particelle per fascio
e
e-
N N
L
f collisione
4 x y [Cm sec ]
-2
-1
Dimensioni trasverse dei fasci:
Si può arrivare a pochi m (millesimi di mm)
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Sezione d’urto
Due particelle che collidono possono produrre tipi diversi di eventi, alcuni più
probabili di altri
la sezione d’urto σ di un determinato evento
è proporzionale alla probabilità che l’evento avvenga
si misura in cm2
Lσ = frequenza con cui accadono gli eventi cercati [si misura in s-1]
Esempio: produzione di Ф a DA Ф NE
~2.1010
~300.000.000 s-1 (100 pacchetti)
N e N eL
f collisione 1032 cm-2 s-1
4 x y
1 mm
10 mm
F
frequenza degli eventi L σ =300 eventi/s
-30
2
~ 3 ·10 cm
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Ф factory: DA Ф NE ai LNF
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IL complesso di DAΦNE è formato
da tre elementi:
(1) il LINAC;
(2) l’accumulatore;
(3) i due anelli principali.
(4) tre linee di luce di sincrotrone
Le strutture sono state completate
nel 1997 e le prime collisioni sono
avvenute nel marzo 1998.
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DAΦNE
FINUDA
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Luminosità di DAΦNE
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e+
e-
KLOE
DHS
IP1
SPLITTER
SPLITTER
e+
WIGGLER
DHR
Ecm = 1019 MeV
Θ= 33 mrad
C = 96.27 m
e-
DHR
e-
DEAR
e+
WIGGLER
IP2
IP2
SPLITTER
DHS
SPLITTER
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Altre applicazioni
Radioterapia
Medicina
Adroterapia
Analisi molecolare, cellulare, cristallografica
(anelli per luce di sincrotrone, FEL)
Impiantazione ionica
Industria
Sterilizzazione di materiali
Smaltimento scorie radioattive
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Acceleratori nel mondo
CATEGORIA
NUMERO
Impiantazioni ioniche
7000
Altri acceleratori nell’industria
1500
Acceleratori in ricerca nonnucleare
1000
Radioterapia
5000
Produzione di isotopi per
medicina
200
Adroterapia
20
Sorgenti di luce di sincrotrone
70
Ricerca nuceare e subnucleare
110
TOTALE
15000
Gli acceleratori usati
per la ricerca pura
sono costruiti ai
limiti della
tecnologia attuale e
sono anch’essi
ricerca tecnologica.
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Medicina: Radioterapia
Radiazione su cellule tumorali:
molto localizzata, dose controllata.
I raggi X sono il trattamento per ora
più usato.
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Medicina: Adroterapia
Terapia con protoni e ioni pesanti più efficace e più localizzata (risonanza di Bragg)
Centri in funzione: PSI a Zurigo, Loma Linda in California, Giappone,…
In costruzione con la collaborazione dell’INFN e LNF: CNAO a Pavia
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Analisi molecolare, cellulare, cristallografica
(Anelli per luce di sincrotrone)
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Elettra (Trieste)
ESRF (Francia)
SLS (Svizzera)
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Acceleratori Lineari e- per i Free Electron Lasers (FEL)
I Laser ad Elettroni Liberi sono potenti sorgenti di radiazione elettromagnetica coerente (microonde, UV,
raggi X) con alta potenza di picco e alta brillanza (ordini di grandezza superiori agli anelli di luce di
sincrotrone).
PRINCIPIO del FEL-SASE (=Self Amplified Spontaneous Emission) : Un linac ad e- accelera
pacchetti di elettroni di alta qualità (brillanza) che entrando nell’ondulatore generano radiazione
EM coerente, con un’amplificazione esponenziale.
bassa emittanza
piccolo energy spread
altissima densità di carica
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Free Electron Lasers: applicazioni
Notevole interesse per il loro sviluppo
diminuire la lunghezza d’onda
(λ-> raggi X)
aumentare potenza media
(per λ nell’ IR-UV)
Struttura della materia,ad es.
Dinamica delle molecole,
reazioni chimiche
Applicazioni mediche e
INFN sta realizzando un progetto in collaborazione con
ENEA e CNR per la costruzione di un FEL
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industriali
Alcuni Acceleratori nel mondo...
Il collisore e+e- a più alta energia: ECM=209 GeV, Circonferenza ~ 27 Km
LEP al CERN di Ginevra 1988-2001
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In fase di costruzione LHC: collisore pp al posto del LEP: ECM=14 TeV
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Il collisore pp- a più alta energia: 2 TeV
IL TEVATRON AL FERMILAB- Chicago
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Beauty-Factory: Stanford Linear Accelerator Center
circonferenza=2.2Km
Linac L~ 3Km
Due anelli di accumulazione di
e+/e- uno sopra l’altro.
ECM~
10 GeV
L’annichilazione di e+/eproduce quarks-b, il cui
decadimento è di interesse per
i fisici sperimentali.
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…e progetti futuri (per la ricerca fondamentale)
Arrivare a energie dell’ordine del TeV per e+e10 volte di più del LEP
ECM= 1 TeV
L=33 Km
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Linear colliders
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Arrivare a luminosità 10 volte maggiori delle presenti
Factories
Accelerazione di altre particelle p. es. μ
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Elettronica:
Diagnostica del
fascio di particelle,
alimentatori
Matematica
Elettromagnetismo:
RF, microonde
Fisica della materia:
fotoemissione
Informatica:
controlli
Superconduttività:
Cavità, magneti
FISICA DEGLI ACCELERATORI
Ingegneria
Meccanica:
Progettazione,
allineamenti,
raffreddamento
Tecnica dell’alto vuoto
Dinamica relativistica
Lasers
Teoria dei segnali
Fisica relativistica
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BIBLIOGRAFIA
Divulgativi – adatti ai ragazzi
http://microcosm.web.cern.ch/Microcosm/ital/accel.html
http://www2.slac.stanford.edu/vvc/accelerator.html
Livello universitario
http://www.fieldp.com/cpa/cpa.html
http://cas.web.cern.ch/cas/CAS_Proceedings.html
Alcuni Testi Consigliati
R.Feynman, “La Fisica di Feynman”, Vol. 2, Addison Wesley, 1970.
R.Wilson e R.Littauer, "Acceleratori di particelle", Zanichelli, 1988
E. Wilson, "An introduction to particle accelerators", Oxford University Press (Oxford), 2001
M. Sands, "The Physics of electron Storage Rings: an Introduction", SLAC-0121, Nov 1970. 172pp.
(scaricabile dal sito SLAC http://www-library.desy.de/spires/hep/)
GRAZIE PER L’ATTENZIONE!
D. Alesini - Incontri di Fisica 6-8 Ottobre 2004
