Acceleratore di particelle

Gli accelerat ri di particelle

Cosa sono?

Gli acceleratori di particelle sono dispositivi che sfruttano i principi dei campi elettrici e magnetici per attribuire un'elevata quantità di energia cinetica alle particelle.

Non è possibile analizzare le proprietà delle particelle ferme

Accelerate e studiate nel momento in cui esse si scontrano con un oggetto fermo o con altre particelle accelerate

Perche sono stati creati?

Necessarie fasci di particelle sempre maggiori per studiarte la materia.

A cosa servono?

Gli acceleratori di particelle sono strumenti complessi utilizzati in molti campi della scienza e della ricerca.

• Studiare la struttura fondamentale della meteria
• Produzione di isotopi radiattivi

• Applicazioni mediche
• Fisica nucleare
• Scienze dei materiali

Pillole di storia

Acceleratore elettrostatico di Van De Graaff

Ciclotrone

Acceleratore lineare

Sincotrone

Quante tipologie esistono?

Si distinguono in base a:

• Energia e intensità del fascio

• Struttura e traiettoria seguite dalle particelle

Quante tipologie esistono?

Acceleratori di bassa energia

Acceleratori di alta energia

Acceleratori che usano la differenza di potenziale di qualche migliaia di volt per accelerare particelle fino ai 100 MeV

Particelle subatomiche vengono accelerate a velocità simili a quelle della luce

Quante tipologie esistono?

Acceleratori lineari

Acceleratori circolari

Accelerano le particelle all'interno di un percorso circolare. La velocità viene mantenuta elevata dai campi elettrici presenti e la traiettoria regolata dai campi magnetici.

Dispositivi che accelerano le particelle lungo una traiettoria rettilinea e che sfruttano l'accelerazione elettrica per mantenerne alta la velocità

Quali sono e dove si trovano?

Esistono 30.000 acelleratori di particelle in tutto il mondo: di questi, solo una piccolissima parte esplora i segreti dell'universo

Com'è fatto un acceleratore di particelle?

Elettromagnetismo

Un campo elettromagnetico (B) generato da un solenoide è direttamente proporzionale alla corrente(I), al numero di spire e inversamente proporzionale alla lunghezza del solenoide.

La Legge di Lorentz afferma che in presenza di un campo magnetico B⃗, un corpo dotato di una carica q e di una velocità(istantanea) v⃗ è soggetto a una forza, detta Forza di Lorentz.

Bobina eccitata

Forza di Lorentz

Come funziona?

2. Acceleratore

• Cavità a radio frequenza
• Dipolo magnetico
• Quadrupolo magnetico

1. Sorgente

Immette particelle, elettroni, protoni nel condotto.

3. Bersaglio

- Urti ad alta energia cinetica - l'energia dell'urto produce nuove particelle di massa/energia superiore che decadono in altre particelle.

E = mc²

magneti

Esperimento - acceleratore elettromagnetico

Tap here

LED

sensore

bobina

sfera

Relé

Arduino UNO

alimentazione 8V

Rotaia

Arduino UNO

bobina in filo di rame (⌀ 1mm) (100 avvolgimenti)

resistenze 330 Ω, 2 kΩ

LED

fotoresistore

Relé

Sfera ferro magnetica

Materiale utilizzato

Code di Arduino

Schema elettrico

Curiosità: incidenti

Anatolij Petrovič Bugorskij è un fisico russo. Noto per essere sopravvissuto a un incidente nell'acceleratore di particelle U-70, quando un fascio di protoni ad alta energia gli attraversò il cervello.

Il Future Circular Collider (FFC): la nuova sfida tecnologica del Cern

Cavità a radio frequenze

cella

La cavità ad alte frequenze è il cuore dell'impianto. Infatti ha il compito di accelerare le particelle (che arrivano quasi alla velocità della luce) attraverso campi magnetici alternati. È formata da diversi magneti alimentati con corrente AC, con una frequenza compresa tra i 3-300GHz (onde radio).

Analisial computer di una cavità ad alta frequenza

singola cella

RHIC

Relativistic Heavy Ion Collider

LHC

Large Hadron Collider

Con una circonferenza di 27 Km, situato in un tunnel sotterraneo ad una profondità di 100 m, LHC rappresenta uno degli acceleratori di particelle più grandi e più potenti al mondo

Acceleatori ad alta energia

Come gli acceleratori a bassa energia, hanno anch'essi diverse applicazioni:

• Fisica delle particelle
• Scoperta di nuove particelle
• Astrofisica
• Medicina nucleare e radioterapia

La regola della mano destra

La legge di Lorentz sta al principo di motori elettrici, alternatori, acceleratori elettromagnetici...

La regola della mano destra spiega vettorialmente la forza di Lorentz. Una particella che attraversa un campo elettromagnetico subisce una variazione di moto perpendicolare sia al campo che alla sua direzione iniziale.

FCC

Future Circular Collider

Quadrupolo magnetico

Il quadrupolo magnetico è composto da quattro magneti ed ha il compito di concentrare le particelle al centro del condotto.

Come funziona l'esperimento?

In questo esperimento si è ripordotta una cavità a radio frequenza attraverso una bobina e una biglia ferromagnetica (particella da accelerare). Il sensore fotoluminoso al passaggio della sfera magnetica accende la bobina per 1 decimo di secondo. La biglia è quindi accelerata per un breve tratto e, quando la bobina si disattiva, prosegue sulla rotaia per inerzia.

Bobina

Biglia

Dipolo magnetico

Il dipolo magnetico è un magnete a due poli che, grazie alla forza di Lorentz curva la traiettoria delle particelle. Questo fenomeno si chiama deflessione magnetica.

SLAC

Standford Linear Accelerator Center

laboratorio nazionale statunitense che opera presso l'Università di Stanford per il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America

Applicazioni

Dispositivi che hanno una serie di applicazioni in diverse aree

• Medicina nucleare e Radioterapia
• Analisi di materiali
• Irradiazione e Sterilizzazione
• Produzione di radiazioni (es. raggi x)