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Gli acceleratori di particelle
C. Biscari
Divisione Acceleratori
LNF-INFN
16 - 18 Settembre
2002
Perche’gli acceleratori ?
I primi acceleratori di particelle furono realizzati per studiare i costituenti più piccoli della materia.
Un fascio di particelle (elettroni, positroni, protoni,…) che colpisce una targhetta o collide con un altro fascio produce reazioni nucleari, annichilazioni e creazione di nuove particelle
Lo studio di questi fenomeni ci dà informazioni sui costituenti ultimi del nostro mondo
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: l’energia massima delle particelle alfa è solo 10
MeV. I raggi cosmici, anche quando molto
energetici, non sono prevedibili: servono fasci di particelle ad alta
energia e ripetibilità per studi sistematici.
I primi studi sugli acceleratori sono degli anni 20
I primi acceleratori sono degli anni 30
Evoluzione degli acceleratori
La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei
aumenta con l’energia
La capacità di creare nuove particelle
aumenta con l’energia e la corrente
Lo sviluppo degli acceleratori è stato determinato dalla necessità di ottenere energie e intensità di fasci sempre maggiori
Diagramma dell’energia degli acceleratori dal 1930 al 2010
Un ordine di grandezza ogni 7 anni
per un totale di 13
(Livingston Chart)
Acceleratori nel mondo
CATEGORIA NUMERO
Impiantazioni ioniche 7000 Acceleratori nell’industria 1500 Acceleratori in ricerca non-nucleare 1000 Radioterapia 5000 Produzione di isotopi per medicina 200 Adroterapia 20
Sorgenti di luce di sincrotrone 70
Ricerca nucleare 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.
L’albero del tempo delle applicazioni degli acceleratori
Sorgenti di particelle
Tutti i fasci di particelle hanno origine in una sorgente
L’esempio più semplice è un filamento caldo, come quello
di una lampadina
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
E = qV
I protoni sono il nucleo dell’atomo di idrogeno.
Applicando la differenza di potenziale al gas di idrogeno
si accelerano i protoni
Primi acceleratori nella storia
1925-1935Acceleratori elettrostatici – van der Graff – Emax 10 MeV
Acceleratori lineari – Wideroe
Acceleratori circolari – Ciclotrone 1930, Betatrone 1940 , Sincrotrone 1945
Acceleratori lineari
Le particelle emesse dal filamento vengono accelerate dal campo elettrico longitudinale
generato da elettrodi susseguenti. L’idea di Ising (1924) fu applicata da Videroe
e nel 1927 venne realizzato il primo “drift tube Linac”.
Accelerazione con campi a radiofrequenza: principio di stabilità di fase
Videroe (1928): applicare, al posto di un campo elettrico statico, un campo oscillante con frequenza opportuna tale che la fase cambi di durante il tempo di
volo fra due gap successive. Se il campo accelerante è una sinusoide e le particelle passano sulla parte crescente
dell’onda, la particella che arriva in anticipo di fase rispetto alla fase sincrona verrà accelerata di meno, quella in ritardo vedrà un campo maggiore. Le particelle
oscilleranno quindi attorno alla fase corretta raggruppandosi longitudinalmente
Il LINAC di DAFNE a Frascati
Linacs…Lunghi da pochi m a qualche Km
Energie da pochi MeV a diversi GeV
berkeley
Accelerazione = aumento di energia
Velocità delle particelle normalizzata alla velocità della luce in funzione dell’energia
La variazione di velocità è
trascurabile al di sopra di una certa
energia
= v/c
Gli acceleratori circolari
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. Negli acceleratori circolari il campo magnetico B è diretto verticalmente; se una particella relativistica di momento p viaggia nel campo magnetico perpendicolare la variazione di momento è
dp/dt=e v x B
il raggio di curvatura della traiettoria dipende dalla carica e dall’energia della particella
L’elettro-sincrotrone di Frascati 1959-1975
L’osservazione su “targhetta”
La materia è vuota : cio’ 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
sincrotrone
LINAC
bersaglio
e-,e+,p …p, n, etc
rivelatori
Produzione di antimateria
L’elettrone di alta energia penetra nella targhetta
Sciame elettromagnetico
e-
la massa si converte in energia (fotoni)
e
Produzione di antimateria
Sciame elettromagnetico
il fotone si converte in un elettrone (e-) e un positrone (e+)
e
e-
e+
e+
Produzione di antimateria
Sciame elettromagnetico
questo processo si ripete e forma uno sciame
e-
e-
e+
e+
e
e-
e-
e+
e+
e-
e-
e+
e+
e-
e-
e+
e+
e-
e-
e+
e+
e-
e-
e+
e+
e-
e-
e+
e+
*Nota: Solo positroni, elettroni, e fotoni sono creati
Produzione di antimateria
Sciame elettromagnetico
la particella ad alta energia penetra nel mezzo e frattura il nucleo atomico della targhetta producendo diverse particelle
pn
-
+
-
K+
*Nota: una grande varietá di particelle si può produrre:per esempio, p, n, , , , ,
Produzione di antimateria
Sciame adronico
p
Queste particelle possono essere abbastanza energetiche da produrre nuove fratture
pn
-
+
-
e
e
K+
K+
K-
-
+
-
e
e
-
+
-
e
e
-
+
-
e
Produzione di antimateria
Sciame adronico
Accelerazione dell’antimateria
Sorgente di positroni di DAFNE
LINAC per e- LINAC per e+
targhetta
Lente focheggianteAlti campi magnetici
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
I COLLIDERS materia-antimateria
ADA a Frascati 1959ADONE a Frascati 1969-1993
DANE – 1997 a oggiLEP al CERN di Ginevra 1988-2001
LHC al Cern di Ginevra > 2006
Luminosità
• la luminosità L di un collider è proporzionale alla capacità di fare interagire le particelle
collisioneyx
ee
fNN
L ↔
=−+
Numero di particelle per fascio
Dimensioni trasverse dei fasci:Si può arrivare a pochi (millesimi di mm)
Per aumentare la luminosità si aumenta la
densità dei fasci
(Cm -2 sec -1 )
Sezione d’urto
la sezione d’urto di un determinato evento è proporzionale alla probabilità che l’evento avvenga
Si misura in cm2
L= frequenza con cui accadono gli eventi cercatiSi misura in sec-1
Due particelle che collidono possono produrre tipi diversi di eventi, alcuni più probabili di altri
Esempio
≅↔
=−+
collisioneyx
ee
fNN
L
frequenza degli eventi L=1000 eventi/sec
due fasci di 10 miliardi di particelle ciascuno, che si incrociano 3 milioni di volte al secondo producono l’evento
desiderato solo una volta ogni 3000 incroci!!!!
+ … ~ 10-29 cm2
~1010
~3.000.000 sec-1
2 mm 15 m
1032 cm-2 s-1
+ +
DAFNE nei LNF
IL complesso di DANE 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.
DANE
Dafne nel 2002
Equazione basicaper descrivere il movimento di una particella in un acceleratore
dr p
dt=q
r E +
r v ×
r B ( )
L’unità di misura dell’energia delle particelle è l’elettronvolt [eV] pari all’energia di una particella di carica unitaria accelerata da una differenza di potenziale elettrostatico di un volt:
1 eV=1.6x10-19 Joules Più usati negli acceleratori i multipli [keV, MeV, GeV]
r p =momento
m=massainvarianter v =velocità
q=carica
r E =campoelettricor B =campomagnetico
Spazio delle fasi delle particelle
Le particelle di un fascio in un acceleratore non hanno tutte la stessa energia e posizione
L’energia, la posizione e il momento trasverso hanno distribuzioni gaussiane
Il pacchetto di particelle è un elissoide a 6 dimensioni:
Energia - posizione longitudinale
Posizione - momento orizzontale
Posizione - momento verticales
y
x
coordinata
distribuzione
Cavità a radiofrequenza
Le cavità a radiofrequenza danno energia al fascio di particelle ogni volta che esso passa al loro interno
Nei linac c’è un solo passaggioNegli anelli milioni di passaggi
v = c = 300.000.000 m/secDafne: 100 m : To = 3.3 x 10-7 sec. In 1 sec 3 milioni di giri
LEP: 30 Km : To = 1 x 10-5 sec. In 1 sec 100.000 giri
fascio
Campo elettrico
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
L’idea di Touschek:collisioni materia e antimateria
Rivelatore
Anello di Accumulazione
Frascati
ee++ ee--
--
++
++
--
ee--
ee++
E = 2me c2E = 2m c2E = 2m c2
E = m c2
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
Principali magneti di un anello
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
Radiazione di sincrotrone
Una particella carica che viaggia in una traiettoria curva emette fotoni, la cui energia dipende dalla massa e dall’energia della particella e dal raggio di curvatura della traiettoriaUna particella carica che viaggia in una traiettoria curva perde energia.In un anello di accumulazione l’energia persa viene compensata dalleCavità a radiofrequenza
U =4π3
romc2( )
3E 4
ρ
Energia persa per giro
Emissione di luce di sincrotrone
Massa
Energia della particella
U =4π3
romc2( )
3E 4
ρ∝
E3B
mc2( )3
2800
2800
584
579
6086
6086
14
165
1
1
m
.014
.014
7000
7000
p p
LHC
.000012
0.13
820
30
p e-
HERA
1.5
1.5
100
100
e+ e-
LEP
.000770
.003570
3.1
9.0
e+ e-
PEP
.000009
.000009
0.51
0.51
e+ e-
DAFNE
E/giro(GeV)
E(GeV)
Raggio di curvatura della traiettoria
Campo magnetico
Il futuro degli acceleratori
Linear colliders
Factories
Arrivare a energie dell’ordine del TeV: 1012 eV10 volte di più del LEP
Arrivare a luminosità 10 volte maggiori delle presenti
Accelerazione di altre particelle ,
Matematica
Elettromagnetismo
Elettronica
Fisica della materia
Informatica
Superconduttività
Tecnica del vuoto
lasers
…
FISICA DEGLI ACCELERATORI
Beauty-Factory: Stanford Linear Accelerator Center
CLIC
Elettra: Luce di Sincrotrone a Trieste
Bibliografia
• R.Feynman, R.Leighton, M.Sands – “La Fisica di Feynman” (Vol. 2), Addison Wesley
• R.Wilson, R.Littauer - "Acceleratori di particelle", Zanichelli • B.Touschek - "Gli anelli di accumulazione", Letture da Le Scienze Le particelle fondamentali a cura di L.Maiani • E. Wilson - "An introduction to particle accelerators", Oxford
Divulgativi – adatti ai ragazzi•http://public.web.cern.ch/Public/ACCELERATORS/Welcome.html•http://www2.slac.stanford.edu/vvc/accelerators
Livello universitario•http://www.eece.unm.edu/faculty/humphrie/cpa/cpa.htm