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L'LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente finora realizzato. Si tratta di un
acceleratore di tipo circolare che può accelerare adroni (protoni e ioni pesanti) fino al
99,9999991% della velocità della luce e farli successivamente scontra con un'energia di
circa 13 teraelettronvolt, È costruito all'interno di un tunnel sotterraneo lungo 27 km, a
100 m di profondità in media, situato al confine tra la Francia e la Svizzera, in una
regione compresa tra l'aeroporto di Ginevra e i monti Giura, originariamente scavato per
realizzare il Large Electron-Positron Collider (LEP). I componenti più importanti dell'LHC
sono gli oltre 1.600 magneti superconduttori in lega di niobio e titanio raffreddati alla
temperatura di 1,9 K (-271,25 °C)[2] da elio liquido superfluido che realizzano un campo
magnetico di circa 8 tesla, necessario a mantenere in orbita i protoni all'energia prevista.
Il sistema criogenico dell'LHC è il più grande che esista al mondo.
La macchina accelera due fasci di particelle che circolano in direzioni opposte, ciascuno
contenuto in un tubo a vuoto. Questi collidono in quattro punti lungo l'orbita, in
corrispondenza di caverne nelle quali il tunnel si allarga per lasciare spazio a grandi sale
sperimentali. In queste stazioni vi sono i quattro principali esperimenti di fisica delle
particelle](https://image.slidesharecdn.com/gliacceleratoridiparticelle-170511182207/85/Gli-acceleratori-di-particelle-20-320.jpg)
Gli acceleratori di particelle
- 1. Gli acceleratori di particelle FABBRICHEDI PARTICELLE
- 2. Che cosa sonogli acceleratori di particelle Gli acceleratori di particelle sono stati creati dai fisici attorno al 1930-1950; sono dispositivi capaci di far viaggiare fascidi particellea velocità prossime a quelle della luce per poi scontrarli con un fascio analogo che viaggia in direzione opposta oppure contro un bersaglio fisso. Essi sono potenti microscopi che, utilizzando particelle subatomiche come sonde, permettono di studiare l’intimastrutturadellamateria. Inoltre, possono generare nuove particelle e, ricreando condizioni simili a quelle che si sono avute subito dopo il BigBang, permettono di studiare i primi istanti di vita del nostro universo.
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- 4. Gli acceleratoridi particelle sono strumenti di indagine della materia che permettono di accelerare, tramite campi elettromagnetici, particelle elettricamente cariche (come protoni ed elettroni) e ioni, per farle collidere le une con le altre o per colpire bersagli opportuni allo scopo di studiare le interazioni che subiscono. L'energia prodotta dalla collisione può inoltre dare origine a nuove particelle, di vita media estremamente breve, che non esistono in condizioni normali per studiare le leggi che governano l'Universo
- 5. Acceleratori: Giocattoli perFisici? Gli acceleratori di particelle sono utilizzati nel campo della fisica per rilevare e studiare le particelle subatomichee le particelle che sono particolarmente instabili ma anche in altri ambiti, ad esempio quello medico: fasci di particelle vengono usati per la diagnostica e la terapia del cancro, per la produzione farmaceuticae possono essere usati in chirurgia come bisturidi precisione. Gli acceleratori possono anche essere utilizzati per distruggere scorieradioattive
- 6. Cosa avviene concettualmentein un urto tra particelle ? Due protoni vengono fatti urtare fra loro ad alta energia (accelerati da un acceleratore) Nell’urto, una parte dell’energia cinetica dei protoni si trasforma in materia Lo studio dei prodotti della collisione ci da informazioni per capire cosa è avvenuto
- 7. Primo acceleratore: l’acceleratoredi Van de Graaff Il primo acceleratore di particelle detto elettrostatico o a caduta di potenziale sfruttava campi elettrici statici in cui si acceleravano ioni tra differenze di potenziale al più di 10-20 MV (lo stesso potenziale che esiste tra la terra ed una nuvola prima che scocchi un fulmine). Il primo acceleratore di questo tipo fu costruito da Robert Van de Graaff (da cui prende il nome) nel 1931. Seguì quello realizzato da Cockroft e Walton nel 1932 per i primi studi sulla fissione nucleare in laboratorio. Infine, una versione più efficiente dell'acceleratore di Van de Graaff (acceleratore Tandem) permetteva l'accelerazione tra differenze di potenziale doppie rispetto al suo predecessore.
- 8. L’ acceleratore divan de Graaff
- 9. Primi sviluppi degliacceleratori 1927 E.Rutherforddisse alla Royal Society: “... if it were possible in the laboratory to have a supply of electrons and atoms of matter in general,of which the individual energy of motion is greater even than that of the alfa particle, .... this would open up an extraordinarynew field of investigation....” Ma gli unici dispositivi all’epoca erano tubi a raggi X che acceleravano elettroni fino a qualche centinaio di keV 1929 G. Gamowdimostro’ che in meccanica quantistica esiste una probabilita’ non nulla che una particella di energia 1 MeV superi per “effetto tunnel” la barriera repulsiva Coulombiana dei nuclei leggeri Questo incoraggio’ J. Cockroft ed E.Walton(collaboratori di Rutherford) a studiare metodi per accelerare fasci di particelle fino a qualche centinaio di keV: nel 1932 costruirono il primo vero acceleratore con un fascio collimato di protoni a 400keV
- 10. Quanti tipi diacceleratori esistono? ESISTONO 3 TIPI DI ACCELERATORI: LINEARE, CICLOTRONE E SINCROTRONE.
- 11. Linac: Acceleratori lineari Nel primo, che è detto anche linac, gli ioni sono accelerati fino ad energie di qualche centinaio di MeV, dal campo elettrico oscillante che si genera quando, nel tubo contenente elettrodi forati, è presente un’onda elettromagnetica a qualche centinaia di MHz.
- 12. Il principio difunzionamento Il meccanismo su cui si basano gli acceleratori è lo stesso sia per gli elettroni sia per i protoni. In un tubo vengono messe in successione la sorgente di queste particelle usate come proiettili e alcune scatole metalliche di forma cilindrica, forate al centro di ogni base. Nel tubo viene fatto il vuoto spinto, cioè sono eliminati tutti gli atomi presenti al suo interno, per non ostacolare il movimento delle particelle da accelerare. Gli elettroni usciti dalla sorgente, si avvicinino alla prima scatola che da ora in poi chiameremo cavità. Se la cavità si trova a un potenziale positivo, cioè la sua superficie esterna è ricoperta da cariche di segno più, attrae gli elettroni portatori di carica negativa e ne cattura una parte. Le particelle nella cavità non risentono del suo potenziale esterno Mentre gli elettroni attraversano la prima cavità, possiamo quindi cambiare il suo potenziale da positivo a negativo e portare la successiva a un potenziale positivo, in modo che attragga a sua volta il fascio di particelle in uscita. Così gli elettroni saranno accelerati nel passaggio dall'una all'altra cavità e alla fine avranno acquistato un'energia pari al numero delle cavità moltiplicato per l'energia guadagnata a ogni passaggio. Questa energia, a sua volta, è il prodotto della carica dell'elettrone per la differenza tra i potenziali V delle due cavità. Solo le particelle che passano da una cavità alla seguente nel momento giusto saranno accelerate, quindi il fascio finale sarà costituito da una serie di pacchetti di elettroni separati.
- 13. Stanford Linear AcceleratorCenter (SLAC), CA, USA il 1962 Acceleratore lineare di elettroni, costruito fra e il 1966. Emax = 30 GeV
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- 15. Ciclotrone: traiettorie aspirale In un ciclotrone, le traiettorie seguono una spirale. Gli ioni partono dal centro e sono accelerati quando passano nello spazio tra 2 elettrodi a forma di D a cui è applicata una tensione alternata. I campi magnetici molto intensi generano la forza di Lorentz che curva la traiettoria. Accelerando, il diametro dell'orbita aumenta, fino a quando il fascio non fuoriesce tangenzialmente dal bordo del dispositivo a velocità prossime a quella della luce
- 16. Il principio difunzionamento L'acceleratore lineare è un dispositivo utile, ma l'energia che può raggiungere è limitata dalla lunghezza complessiva del sistema di cavità. Un modo molto efficiente per accrescere la massima energia finale è far percorrere alle particelle del fascio una traiettoria circolare. In questo modo le particelle passano migliaia di volte attraverso lo stesso sistema di cavità e l'energia finale è l'energia guadagnata in un giro moltiplicata per il numero dei giri.Un sincrotrone si può realizzare ponendo all'esterno del tubo a vuoto in cui corre il fascio di particelle una serie di magneti a forma di C, lunghe calamite azionate dalla corrente elettrica in grado di deviare il cammino delle particelle cariche. L'angolo di deviazione è grande se l'energia della particella è piccola, e viceversa. Dopo ogni giro l'elettrone o il protone aumenta la sua energia e quindi tende a sbandare, ma è possibile mantenerlo sulla traiettoria giusta aumentando progressivamente la forza del campo magnetico.
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- 20. LHC L'LHC èl'acceleratore di particelle più grande e potente finora realizzato. Si tratta di un acceleratore di tipo circolare che può accelerare adroni (protoni e ioni pesanti) fino al 99,9999991% della velocità della luce e farli successivamente scontra con un'energia di circa 13 teraelettronvolt, È costruito all'interno di un tunnel sotterraneo lungo 27 km, a 100 m di profondità in media, situato al confine tra la Francia e la Svizzera, in una regione compresa tra l'aeroporto di Ginevra e i monti Giura, originariamente scavato per realizzare il Large Electron-Positron Collider (LEP). I componenti più importanti dell'LHC sono gli oltre 1.600 magneti superconduttori in lega di niobio e titanio raffreddati alla temperatura di 1,9 K (-271,25 °C)[2] da elio liquido superfluido che realizzano un campo magnetico di circa 8 tesla, necessario a mantenere in orbita i protoni all'energia prevista. Il sistema criogenico dell'LHC è il più grande che esista al mondo. La macchina accelera due fasci di particelle che circolano in direzioni opposte, ciascuno contenuto in un tubo a vuoto. Questi collidono in quattro punti lungo l'orbita, in corrispondenza di caverne nelle quali il tunnel si allarga per lasciare spazio a grandi sale sperimentali. In queste stazioni vi sono i quattro principali esperimenti di fisica delle particelle
- 21. Al LEP ilModello Standard è stato messo “sotto torchio” in un modo sistematico e vario senza precedenti. No Higgs, no party LEP ( 27 Km
- 22. Sincrotrone: Traiettoria circolare In un sincrotrone, le particelle si muovono sotto l’effetto di molti magneti in un tubo circolare vuoto d’aria. L’accelerazione avviene nelle cavità a radiofrequenza, il cui campo oscilla in modo da dare impulso a ogni passaggio di un pacchetto di particelle. Soltanto i sincrotroni di diametro maggiore di qualche centinaio di metri raggiungono le migliaia di MeV con costi non proibitivi. I sincrotroni del CERN sono posti in cascata in modo che le particelle, accelerate dai linac, sono poi accelerate dal protosincrotone (PS) e dal superprotosincrotone (SPS). Infine, esse sono iniettate nei grandi sincrotroni costruiti in un tunnel sotteraneo di 27 km di lunghezza. Questo tunnel ha ospitato ed ospiterà dei collisori, speciali sincrotroni nei quali le particelle continuano a circolare per ore,dopo essere giunte all’energia voluta.
- 23. Struttura tipica diun sincrotrone
- 25. DAΦNE, l’acceleratore diparticelle di Frascati DAΦNE (Double Annular Φ Factory for Nice Experiments) è l’anello di collisione per elettroni e positroni attualmente in funzione a Frascati. È il capostipite di una nuova generazione di acceleratori ad elevata luminosità (cioè in cui avvengono numerose collisioni) dedicato alla produzione di particelle Φ. Il suo obiettivo è lo studio di queste particelle (insieme con i quark s e le particelle K) che permetterà di fare luce su molti punti critici dell’attuale immagine del mondo subnucleare e delle forze che lo dominano
- 26. Progetto iniziato nel1961 Inizio costruzione nel 1963 Primi risultati di fisica nel 1968 Molti problemi di fisica degli acceleratori (instabilita’) affrontati e risolti Energia: 1.5 + 1.5 GeV
- 27. Risultati ottenuti conacceleratori