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