Christopher Kent Mineman - Didattica in rete

Come continuare ad indagare sulle particelle:  raggi cosmici e acceleratori

Oggi è accertato che la radiazione primaria, cioè quella che dal cosmo incide sugli strati più alti dell'atmosfera, è costituita in gran parte da protoni veloci, con energie dell'ordine del GeV(*); inoltre la radiazione primaria contiene nuclei di elementi di basso numero atomico (elio, litio). Gli urti fra le particelle della radiazione primaria e i nuclei degli atomi di azoto ed ossigeno dell'atmosfera danno origine a molti processi secondari in cui vengono prodotte particelle di vario tipo.

Negli anni trenta e quaranta gli urti ad alte energie erano stati realizzati utilizzando come proiettili le particelle contenute nella radiazione cosmica. Se si pensa che l'energia dei protoni primari è migliaia di volte superiore a quella delle particelle α usate da Rutherford si comprende perché i raggi cosmici abbiano costituito per ventenni la migliore fonte di proiettili per penetrare la materia e scoprire le propriet à dei nuclei e delle particelle elementari. Però i raggi cosmici come sorgenti di particelle ad alta energia avevano due grossi inconvenienti: potevano essere utilizzati solo negli strati più alti dell'atmosfera per mezzo di apparecchiature poste su palloni sonda (e quindi si escludevano strumenti troppo pesanti) e avevano un'intensità molto bassa, cioè contenevano poche particelle.

Il futuro della fisica delle particelle era pertanto affidato allo sviluppo degli acceleratori, macchine che negli ultimi settanta anni hanno permesso ai fisici lo studio sperimentale del nucleo e la scoperta di oltre 200 particelle, non tutte elementari.

Come funziona un acceleratore? Un acceleratore prende una particella, le fa prendere velocità grazie a dei campi elettromagnetici e la scaglia contro un bersaglio. In queste collisioni i nuclei si rompono e, se l'energia è sufficiente, sono create nuove particelle. Ponendo rivelatori di particelle nelle vicinanze del bersaglio bombardato, si possono studiare tali reazioni e ricostruire sia le proprietà delle nuove particelle create, sia le forze che producono questi spettacolari fenomeni di trasformazione di energia in massa.

La richiesta di particelle con energie sempre più alte è giustificata dalla relazione E = mc2; infatti per produrre particelle occorre energia sempre più alta quanto maggiore è la massa delle particelle che si vogliono ottenere. La massa di un protone ad esempio corrisponde ad un'energia di 938 MeV.

Potremmo dire che il nome di acceleratori non è appropriato perché le particelle circolanti si muovono con velocità di poco inferiore a c e quindi ogni acquisto di energia non va ad aumentare la velocità ma, la massa relativistica della particella. Il termine più appropriato sarebbe quindi quello di "massificatori".

Gli acceleratori possono avere diverse strutture e possono provocare urti di due tipi. Per quanto riguarda gli urti abbiamo acceleratori a bersaglio fisso (si spara una particella contro un bersaglio che non si muove) e acceleratori a fasci collidenti o collisori (si fanno scontrare due fasci di particelle che si muovono in direzioni opposte). L'avvento dei collisori ha reso obsoleti gli acceleratori che producono reazioni su bersaglio fisso perché quest'ultimo tipo di acceleratori è molto più vantaggioso da un punto di vista energetico.

Per quel che riguarda le strutture distinguiamo i Linac (acceleratori lineari, in cui la particella parte da un'estremità ed esce dall'altra) e i sincrotroni (acceleratori circolari, in cui la particella gira in tondo più e più volte).

  • Il vantaggio degli acceleratori circolari su quelli lineari è che le particelle in un acceleratore circolare corrono in cerchio più volte ed aumentano di molto la loro energia ad ogni giro. Così un sincrotrone fornisce particelle ad altissima energia senza dover essere molto lungo.

Inoltre se le particelle percorrono il cerchio più volte ci sono più possibilità di urti dove i fasci di particelle si incrociano. Gli acceleratori circolari devono avere un enorme raggio per portare le particelle a energie abbastanza alte, e perciò sono costosi da costruire.

Invece gli acceleratori lineari sono molto più facili da costruire rispetto quelli circolari, perché non hanno bisogno dei grandi magneti necessari a costringere le particelle a muoversi in cerchio.

Sempre agli inizi degli anni trenta Lawrence (fisico statunitense) fece funzionare il primo ciclotrone, una macchina che permetteva di accelerare protoni mantenuti su un'orbita a spirale da un campo magnetico.

Tra i più importanti acceleratori oggi in funzione ci sono quelli del CERN (Organizzazione Europea di Ricerche Nucleari) che è un laboratorio internazionale che si trova a Ginevra; qui sono in funzione il supersincrotrone che ha una potenza di 450 GeV e un diametro di 2 Km e il LEP che ha un anello di 27 km di diametro. Va anche ricordato il protosincrotrone da 1000 GeV del FNAL (Fermi National Argonne Laboratory ) nei pressi di Chicago. A partire dal 2003 il LEP sarà sostituito dal Large Hadron Collider (LHC) in cui le collisioni protone – protone avverranno ad una energia totale di 14000 GeV ben maggiore dell'energia di 200 GeV disponibile nelle collisioni del LEP.