Gli acceleratori di particelle C. Biscari Divisione Acceleratori LNF-INFN 16 - 18 Settembre 2002

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  • Gli acceleratori di particelle C. Biscari Divisione Acceleratori LNF-INFN 16 - 18 Settembre 2002
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  • Perchegli acceleratori ? I primi acceleratori di particelle furono realizzati per studiare i costituenti pi 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 d informazioni sui costituenti ultimi del nostro mondo
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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 capacit di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con lenergia: lenergia massima delle particelle alfa solo 10 MeV. I raggi cosmici, anche quando molto energetici, non sono prevedibili: servono fasci di particelle ad alta energia e ripetibilit per studi sistematici. I primi studi sugli acceleratori sono degli anni 20 I primi acceleratori sono degli anni 30
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  • Evoluzione degli acceleratori La capacit di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con lenergia La capacit di creare nuove particelle aumenta con lenergia e la corrente Lo sviluppo degli acceleratori stato determinato dalla necessit di ottenere energie e intensit di fasci sempre maggiori
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  • Diagramma dellenergia degli acceleratori dal 1930 al 2010 Un ordine di grandezza ogni 7 anni per un totale di 13 (Livingston Chart)
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  • Acceleratori nel mondo Gli acceleratori usati per la ricerca pura sono costruiti ai limiti della tecnologia attuale e sono anchessi ricerca tecnologica.
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  • Lalbero del tempo delle applicazioni degli acceleratori
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  • Sorgenti di particelle Tutti i fasci di particelle hanno origine in una sorgente Lesempio pi semplice un filamento caldo, come quello di una lampadina Gli elettroni sono estratti dal catodo e viaggiando verso lanodo positivo acquistano unenergia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo E = qV I protoni sono il nucleo dellatomo di idrogeno. Applicando la differenza di potenziale al gas di idrogeno si accelerano i protoni
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  • Primi acceleratori nella storia 1925-1935 Acceleratori elettrostatici van der Graff E max 10 MeV Acceleratori lineari Wideroe Acceleratori circolari Ciclotrone 1930, Betatrone 1940, Sincrotrone 1945
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  • Acceleratori lineari Le particelle emesse dal filamento vengono accelerate dal campo elettrico longitudinale generato da elettrodi susseguenti. Lidea di Ising (1924) fu applicata da Videroe e nel 1927 venne realizzato il primo drift tube Linac.
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  • Accelerazione con campi a radiofrequenza: principio di stabilit 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 una sinusoide e le particelle passano sulla parte crescente dellonda, la particella che arriva in anticipo di fase rispetto alla fase sincrona verr accelerata di meno, quella in ritardo vedr un campo maggiore. Le particelle oscilleranno quindi attorno alla fase corretta raggruppandosi longitudinalmente
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  • Il LINAC di DAFNE a Frascati
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  • Linacs Lunghi da pochi m a qualche Km Energie da pochi MeV a diversi GeV berkeley
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  • Accelerazione = aumento di energia Velocit delle particelle normalizzata alla velocit della luce in funzione dellenergia La variazione di velocit trascurabile al di sopra di una certa energia = v/c
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  • 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 diretto verticalmente; se una particella relativistica di momento p viaggia nel campo magnetico perpendicolare la variazione di momento dp/dt=e v x B il raggio di curvatura della traiettoria dipende dalla carica e dallenergia della particella
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  • Lelettro-sincrotrone di Frascati 1959-1975
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  • Losservazione su targhetta La materia vuota : cio che non ha interagito viene perduto Energia a disposizione dellinterazione dovuta solo al fascio Il bersaglio complesso: molte delle particelle prodotte disturbano lesperimento sincrotrone LINAC bersaglio e -,e +,p p, n, etc rivelatori
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  • Produzione di antimateria Lelettrone di alta energia penetra nella targhetta Sciame elettromagnetico e-
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  • la massa si converte in energia (fotoni) e Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico
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  • il fotone si converte in un elettrone (e - ) e un positrone (e + ) e e-e- e+ e+ e+ e+ Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico
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  • 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- 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
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  • la particella ad alta energia penetra nel mezzo e frattura il nucleo atomico della targhetta producendo diverse particelle p n - + - K+K+ *Nota: una grande variet di particelle si pu produrre: per esempio, p, n,,,,, Produzione di antimateria Sciame adronico p
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  • Queste particelle possono essere abbastanza energetiche da produrre nuove fratture p n - + - e e K+K+ K+K+ K-K- - + - e e - + - e e - + - e Produzione di antimateria Sciame adronico
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  • Accelerazione dellantimateria Sorgente di positroni di DAFNE LINAC per e- LINAC per e+ targhetta Lente focheggiante Alti campi magnetici
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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 ADA a Frascati 1959 ADONE a Frascati 1969-1993 DA NE 1997 a oggi LEP al CERN di Ginevra 1988-2001
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  • LHC al Cern di Ginevra > 2006
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  • Luminosit la luminosit L di un collider proporzionale alla capacit di fare interagire le particelle Numero di particelle per fascio Dimensioni trasverse dei fasci: Si pu arrivare a pochi (millesimi di mm) Per aumentare la luminosit si aumenta la densit dei fasci (Cm -2 sec -1 )
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  • Sezione durto la sezione durto di un determinato evento proporzionale alla probabilit che levento avvenga Si misura in cm 2 L = frequenza con cui accadono gli eventi cercati Si misura in sec -1 Due particelle che collidono possono produrre tipi diversi di eventi, alcuni pi probabili di altri
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  • Esempio 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 levento desiderato solo una volta ogni 3000 incroci!!!! + ~ 10 -29 cm 2 ~10 10 ~3.000.000 sec -1 2 mm 15 m 10 32 cm -2 s -1 ++
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  • DAFNE nei LNF
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  • IL complesso di DA NE formato da tre elementi: (1) il LINAC; (2) laccumulatore; (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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  • DA NE
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  • Dafne nel 2002
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  • Equazione basica per descrivere il movimento di una particella in un acceleratore Lunit di misura dellenergia delle particelle lelettronvolt [eV] pari allenergia di una particella di carica unitaria accelerata da una differenza di potenziale elettrostatico di un volt: 1 eV=1.6x10 -19 Joules Pi usati negli acceleratori i multipli [keV, MeV, GeV]
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  • Spazio delle fasi delle particelle Le particelle di un fascio in un acceleratore non hanno tutte la stessa energia e posizione Lenergia, la posizione e il momento trasverso hanno distribuzioni gaussiane Il pacchetto di particelle un elissoide a 6 dimensioni: Energia - posizione longitudinale Posizione - momento orizzontale Posizione - momento verticale s y x coordinata distribuzione
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  • Cavit a radiofrequenza Le cavit a radiofrequenza danno energia al fascio di particelle ogni volta che esso passa al loro interno Nei linac c un solo passaggio Negli anelli milioni di passaggi v = c = 300.000.000 m/sec Dafne: 100 m : T o = 3.3 x 10 -7 sec. In 1 sec 3 milioni di giri LEP: 30 Km : T o = 1 x 10 -5 sec. In 1 sec 100.000 giri fascio Campo elettrico
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  • La geniale idea di Bruno Touschek fu quella di utilizzare come particelle collidenti particelle ed antiparticelle che nella loro annichilazione avrebbero