fisica spicciola...molto spicciola!

[vecchione]

20)- Compariranno brevemente, nelle informazioni sugli acceleratori, alcuni termini usati in campo subatomico, perciò sarà opportuno anticiparli, ricordando che alcuni di questi, come “sapore”, “colore” ed altri sono stati scelti dai ricercatori, senza riferimento alla realtà, perchè….un nome ci voleva!

A)- CON RIFERIMENTO ALLA MATERIA
-Adroni (particelle formate da quark e gluoni)
-Barioni e Mesoni (sottofamiglie degli Adroni )
-Leptoni (presenti in sei sapori :elettrone, muone, tauone, neutrino elettronico, neutrino muonico, neutrino tauonico.
Sono raggruppati in 3 “famiglie” che comprendono:
[elettrone, neutrino elettronico], [muone, neutrino muonico] , [tauone, neutrino tauonico]).
-Neutrini (presenti solo nei leptoni, non hanno carica elettrica)
-Quark (presenti in sei sapori :up, down, strange, charm, bottom, top.
Sono raggruppati in 3 famiglie: [up, down], [strange, charm], [bottom,top])

B-) CON RIFERIMENTO ALLE CARATTERISTICHE DELLE PARTICELLE
- Spin (angolo di rotazione delle particelle)
- Quanto (l’unità più piccola, trasferibile ed indivisibile, dell’energia; la sua “scoperta” ha dato origine alla fisica quantistica;
- Colore (termine che indica una proprietà di alcune particelle subatomiche)
- Forza colore: è simile alla forza elettromagnetica ma è compresa nell’interazione della forza forte, in particolare tra quark e gluoni; crea il campo di colore, simile al campo magnetico.
- Decadimento: nella fisica delle particelle e negli acceleratori è la trasformazione di elementi pesanti in elementi più leggeri, nei parametri della teoria standard.
In natura sussiste il decadimento radioattivo, dove nuclei instabili emettono nel tempo (decenni e/o secoli) varie particelle: fotoni, elettroni, positroni, neutrini, neutroni, etc..
A volte sono usate come strumenti per compiere esperimenti.

C)- CON RIFERIMENTO ALLA TRASMISSIONE DELLE FORZE
-Bosoni W, Z, di Gauce, di Higgs (sono i quanti dell’interazione forte)
-Fotone (è il quanto dei campi elettromagnetici)
-Gluoni (è il quanto dell’interazione della forza forte tra i quark; sono in pratica i “quanti” della forza colore (caratteristica dei quark), come il fotone è il quanto della forza elettromagnetica.

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21- Acceleratori, nascita e sviluppo degli impianti.
Per raggiungere i valori necessari ad un serio studio delle particelle si ricorse prima alla differenza di potenziale tra due poli, con circuiti vari che sfociavano in un tubo (2 mt. di lunghezza o poco più) ove scorrevano le particelle accelerate a 400.000 eV; con questo impianto, chiamato "moltiplicatore di tensione” si riusci a spezzare il nucleo del litio. Dopo si passò ai generatori Van de Graaf, che raggiunsero gli 8 milioni di eV (gli ultimi impianti arrivano a circa 24 milioni)...ma tali impianti hanno dei limiti verso l’alto, perché la differenza di potenziale non può essere aumentata indefinitivamente e quindi non si possono raggiungere i valori necessari per studi profondi del nucleo; divenne pertanto indispensabile elaborare altri sistemi e quello più valido sfruttò il concetto di accelerare progressivamente le particelle con piccole spinte, anziché con un unico fortissimo colpo
Negli anni 30 si iniziò così a progettare il primo acceleratore lineare, un tubo composto da svariate sezioni, dove ognuna aveva un magnete generante una spinta; la diversa e sempre maggiore lunghezza delle sezioni compensava la maggiore velocità delle particelle, in modo che queste potevano restare in fase (ovvero sincronizzate) con le spinte. Queste macchine, per quanto godano di una resa ottimale, sia poiché durante l’accelerazione lineare gli elettroni non emettono energia e sono più controllabili, sia perché la concentrazione sul bersaglio è maggiore, davano dei problemi nella sincronizzazione al crescere della lunghezza, nonchè nella lunghezza massima operativa dell’impianto (quello più grande, un LINAC messo in servizio a Stanford negli anni 60, con 17 Gev di potenza (poi elevata nel tempo a quasi 50) raggiunge i 3,2 km.di lunghezza, ma probabilmente siamo al limite).

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22)- La soluzione venne progettando un percorso a spirale, realizzato e contenuto in una specie di tamburo e dove il flusso delle particelle veniva “guidato” in tale moto da magneti e progressivamente accelerato, sino ad uscire in direzione del bersaglio. Il primo impianto operativo, chiamato ciclotrone, aveva un diametro di circa 30 cm. e accelerava le particelle sino a 1,2 milioni di elettronvolt, ma già nel 39 l’università della California ne usava uno con diametro di 1.500 cm., in grado di accelerare le particelle ad una velocità di 20 milioni di elettronvolt, doppia di quella delle particelle alfa emesse dalle sostanze radioattive. I ricercatori potevano finalmente avere qualcosa che consentiva studi sub nucleari molto più approfonditi.
Nacque però un problema: oltre i 20 milioni di elettronvolt l’aumento della massa inerziale
determinato dall’aumento della velocità diventa, come previsto dalla teoria della relatività ristretta di Einstein, tanto sensibile da mandare l’impianto fuori sincronia, perciò si resero necessarie delle modifiche e furono realizzati i primi sincrociclotroni, che arrivarono sino a reggere potenze di 800 milioni di elettronvolt.

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23)- Ma i problemi continuavano, perché volendo/dovendo usare gli elettroni, che sono molto “leggeri” rispetto ai protoni, per dare loro la forza necessaria a frantumare gli atomi bisognava raggiungere velocità pazzesche, dove l’aumento di massa diventa eccessivo ed i ciclotroni non erano adatti a tale lavoro.
Nacque quindi il betatrone, che non era più un acceleratore a spirale bensì un anello circolare, con potenze di oltre 300 Mev, poi l’elettrosincrotone, che arrivava a circa 1000 Mev (un miliardo di elettronvolt) ma che ancora non bastavano alle esigenze dei ricercatori, sempre per i limiti generati dall’aumento della massa inerziale ed il relativo effetto frenante.
I ricercatori si sono quindi rivolti ai protoni che, essendo più “pesanti”, richiedono a parità di forza d’urto una minor velocità. Ecco quindi i protosincrotoni, tra i quali spicca il cosmotrone , terminato nel 52 a Long Island, con potenza dichiarata di tre miliardi di eV e così chiamato perché generava energia vicina a quella dei raggi cosmici. Poi vennero il bevatrone (6 miliardi di eV) ed in Russia iniziò a lavorare il fasitrone, con 10 miliardi di eV.
Per inciso dirò che fu con l’uso del bevatrone dell’università della California che nel 55 si ottenne il primo antiprotone, come teorizzato negli anni 30.
Ma tutti questi impianti sono superati (anche se magari ancora in funzione) dai sincronizzatori a focalizzazione, che consentono di tenere il fascio di particelle molto ben concentrato; già nel 59 al CERN divenne operativo un tale strumento che raggiungeva i 24 miliardi di eV, cui si aggiunsero altri macchinari sempre più potenti, sino ad arrivare all’ultimo nato, denominato LHG; è il più grande al mondo e può raggiungere i 14 bilioni di eV. Tali impianti sono chiamati Collider (collimatori) perché possono, oltre che accelerare un solo fascio di particelle con cui colpire un bersaglio, accelerarne due in senso contrario e farli poi scontrare, con una resa molto più elevata.
Hemm…. sarà opportuno specificare ancora che gli elettronvolt sono unità di misura nel campo degli elettroni, non sono confrontabili con i volt di casa che sono un’altra cosa; 2-3 geV ovvero 2 o 3 miliardi di elettronvolt e più ….non sono neppure avvertibili dal corpo umano.

[vecchione]

24)- Nella storia degli acceleratori sussistono alcuni fatti interessanti.
A fine anni 70 le radici della teoria standard erano praticamente accettate e nel 1982 negli USA prese il via lo studio di un impianto per verificare tale teoria e le idee su cui si fondava. Riscontrata la fattibilità tecnica del progetto, nel 1985 la comunità della fisica presentò al D.E (v. p.17) il progetto del supercollisore a magneti superconduttori” (SSC).
L’amministrazione Regan autorizzò a procedere col progetto, un anello di 87 Km, con migliaia di magneti che avrebbero funzionato da acceleratori ed una potenza di circa 20 TeV. Nel 1990 si ebbe il costo finale preventivato per l’impianto, pari ad oltre 8 miliardi di dollari, con relativa approvazione e scelta del sito. Purtroppo il progetto fu sospeso dal Congresso nel 1993 per eccessivo costo, anche se i lavori erano già stati iniziati, con una trentina di Km parzialmente scavati).
Sussiste però in Europa, presso il CERN, il progetto FCC (Future Circolar Collider), con studi di fattibilità presentati nel 2018: potenza di quasi 100 Tev, lunghezza dell’anello di circa 100 Km ed un preventivo di massima di circa 17 miliardi di dollari, il tutto destinato a sostituire il collisore LHC, che col suo anello di quasi 30 Km ed i suoi 14 TeV di potenza è comunque attualmente il più grande al mondo.

[vecchione]

25)- Funzionamento di questi impianti e differenze tra acceleratori lineari e circolari.
Semplificando moltissimo, si può dire che negli acceleratori e nei collisori di qualunque tipo i fisici delle particelle usano la formula di Einstein (E=mc2) in direzione opposta, fornendo energia per ottenere nuove piccole masse. L’energia viene fornita accelerando le particelle che, impattando su di un piccolissimo bersaglio o fra di loro, generano una microesplosione con produzione di nuove particelle.
Le particelle usate come proiettili vengono contenute e guidate dai campi elettrici generati dai magneti posti intorno al condotto (che può essere rettilineo o ad anello); tali magneti sono disposti in sequenza, in modo tale che ad ogni magnete superato la particella riceva una “spinta” ulteriore, sino a raggiungere l’energia voluta e il bersaglio; negli impianti circolari ogni magnete contribuisce anche alla flessione della direzione di moto della particella, in modo da farle seguire la curvatura dell’anello (che viene percorso anche più volte sino a raggiungere la velocità necessaria per gli scopi della ricerca)
Alcuni impianti hanno un anello molto più piccolo all’interno dell’anello principale, che serve per avviare l’accelerazione; raggiunta la velocità voluta il fascio di particelle viene poi inserito nell’anello principale e accelerato ulteriormente.

[ziomauri]

Molto , Molto interessante !!!

[vecchione]

26)- Nei collisori invece sono accelerati in senso contrario due fasci di particelle, in modo da scontrarsi frontalmente tra di loro (questo risultato si può ottenere anche negli acceleratori lineari, se alla fine del percorso i due fasci paralleli vengono curvati verso l’asse del tunnel sino a scontrarsi.)
Quando un fascio di particelle accelerato in una direzione viene diretto contro un fascio accelerato in direzione opposta si può creare, quando i fasci passano uno attraverso l’altro, una collisione (che non è né certa né scontata, data l’infinitesima dimensione delle particelle); normalmente se ne ha una sola o pochissime e quindi si fanno incontrare più volte i fasci in diversi punti dell’impianto, ognuno fornito degli opportuni rivelatori. Per inciso dirò che la capacita di un impianto di generare le collisioni è chiamata “luminosità” che, insieme alla sua potenza, sono le due caratteristiche che lo identificano.
La resa dei collisori è circa 4 volte maggiore dei normali acceleratori.

[vecchione]

27)- Problemi connessi al funzionamento degli acceleratori.
-Negli impianti ad anello tanto più sono veloci e quindi energetiche le particelle, tanto più è difficile fare loro mantenere la curvatura voluta, pertanto è impossibile superare certi limiti, determinati dalla loro energia.
- Nella scelta delle particelle da usare bisogna scendere a compromessi: il protone é relativamente facile da accelerare, ma essendo composito, la sua resa negli impatti è circa solo il 10% dell’energia totale acquisita, perché essendo composito l’energia in lui accumulata viene ripartita tra tutti i suoi componenti...è in effetti come una cartuccia a pallini; l’elettrone invece, essendo puntiforme, può scaricare nelle collisioni tutta l’energia acquisita, come se fosse una cartuccia a palla singola, ma lo scontro tra elettroni, che hanno stesso segno, determina una diminuzione della resa e quindi si cerca di fare collidere elettroni con positroni (le antiparticelle degli elettroni) perché la carica risultante invece è nulla e non ci sono dispersioni; purtroppo la produzione di positroni (antimateria) non è cosa semplice.
Gli elettroni inoltre presentano una seconda difficoltà, infatti accelerandoli lungo una traiettoria curva, è facile che emettano dei fotoni, che portano con se una parte dell’energia; in alcuni acceleratori si è riscontrato che una parte notevole dell’energia fornita agli elettroni si perde con questa radiazione.

[vecchione]

28)- Produzione delle particelle
Mi sembra opportuno accennare brevemente a come si producono le particelle da accelerare:
Per i protoni si usa in genere l’idrogeno, che ha un atomo composto da 1 protone e 1 elettrone; ionizzando il gas si possono estrarre gli elettroni.e quindi utilizzare i protoni .
Per gli elettroni si usano due sistemi:
- uno consiste nel surriscaldare un filo, tipo lampadina, dal quale per effetto termoionico si irraggiano gli elettroni;
- l’altro è sfruttare l’effetto fotoelettrico, dove i fotoni, sotto forma di una precisa radiazione elettromagnetica (ovvero luce), impattando su una piastra di metallo sensibile (questo impatto viene fatto avvenire in un campo elettrico), generano la produzione di elettroni.
Per i positroni, ovvero gli antielettroni, la procedura è più complessa: sempre semplificando, si genera un fascio di elettroni che vanno a colpire un particolare metallo, dal quale emergono dei fotoni, che immersi in un campo elettrico possono generare coppie positrone-elettrone, che vengono poi separate da un campo magnetico sfruttando i loro segni opposti (i getti delle particelle si divaricano)
Per gli antiprotoni è ancora più complicato perchè bisogna utilizzare un fascio di protoni precedentemente accelerati in un sincrotrone e mandati contro un bersaglio dove si producono particelle ed antiparticelle, tra cui antiprotoni; il fascio poi attraversa una lente di selezione ed infine un potente campo magnetico che deflette e quindi separa le une dalle altre, anche qui in forza dei loro opposti segni.
In tutti i 4 casi suddetti quanto ottenuto viene raccolto e contenuto da campi magnetici, poi immesso nell’impianto e accelerato.