Gli%20acceleratori%20di%20particelle

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(No Transcript)
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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 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
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I primi fasci di particelle per gli studi di
fisica nucleare e subnucleare erano sorgenti
naturali particelle alfa, raggi cosmiciLa
capacità di rompere le barriere elettrostatiche
intorno ai nuclei aumenta con lenergia
lenergia 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 20I primi
acceleratori sono degli anni 30
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Evoluzione degli acceleratori
La capacità di rompere le barriere
elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con
lenergia
La capacità di creare nuove particelle aumenta
con lenergia e la corrente
Lo sviluppo degli acceleratori è stato
determinato dalla necessità di ottenere energie e
intensità 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 più semplice è un filamento caldo, come
quello di una lampadina
DE qV
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
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
1925-1935Acceleratori elettrostatici van der
Graff Emax 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 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 p
durante il tempo di volo fra due gap successive.
Se il campo accelerante è una sinusoide e le
particelle passano sulla parte crescente
dellonda, 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
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Il LINAC di DAFNE a Frascati
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Linacs
berkeley
Lunghi da pochi m a qualche Km Energie da pochi
MeV a diversi GeV
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Accelerazione aumento di energia
La variazione di velocità è trascurabile al di
sopra di una certa energia
b v/c
 Velocità delle particelle normalizzata alla
velocità della luce in funzione dellenergia
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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 è diretto
verticalmente se una particella relativistica di
momento p viaggia nel campo magnetico
perpendicolare la variazione di momento
è dp/dte 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
sincrotrone
bersaglio
S
L
rivelatori
p/-
e-,e,p
LINAC
p, n, etc
La materia è vuota cio che non ha interagito
viene perduto Energia a disposizione
dellinterazione dovuta solo al fascio Il
bersaglio è complesso molte delle particelle
prodotte disturbano lesperimento
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Produzione di antimateria
Sciame elettromagnetico
Lelettrone di alta energia penetra nella
targhetta
e-
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Produzione di antimateria
Sciame elettromagnetico
la massa si converte in energia (fotoni)
?
e
22
Produzione di antimateria
Sciame elettromagnetico
il fotone si converte in un elettrone (e-) e un
positrone (e)
e
?
e-
e
?
e
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Produzione di antimateria
Sciame elettromagnetico
questo processo si ripete e forma uno sciame
e
?
e-
e
e-
e
Nota Solo positroni, elettroni, e fotoni sono
creati
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Produzione di antimateria
Sciame adronico
la particella ad alta energia penetra nel mezzo e
frattura il nucleo atomico della targhetta
producendo diverse particelle
p
p
n
?
?-
?-
Nota una grande varietá di particelle si può
produrre per esempio, p, n, ?, ?, ?, ?, ?
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Produzione di antimateria
Sciame adronico
Queste particelle possono essere abbastanza
energetiche da produrre nuove fratture
p
n
K-
?
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Accelerazione dellantimateria
LINAC per e-
LINAC per e
Lente focheggiante Alti campi magnetici
Sorgente di positroni di DAFNE
targhetta
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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
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LHC al Cern di Ginevra gt 2006
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Luminosità
Numero di particelle per fascio

• la luminosità L di un collider è proporzionale
  alla capacità di fare interagire le particelle

(Cm -2 sec -1 )
Per aumentare la luminosità si aumenta la densità
dei fasci
Dimensioni trasverse dei fasci Si può arrivare a
pochi m (millesimi di mm)
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Sezione durto
Due particelle che collidono possono produrre
tipi diversi di eventi, alcuni più probabili di
altri
la sezione durto s di un determinato evento è
proporzionale alla probabilità che levento
avvenga Si misura in cm2
Ls frequenza con cui accadono gli eventi
cercati Si misura in sec-1
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Esempio
frequenza degli eventi Ls1000 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!!!!
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DAFNE nei LNF
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IL complesso di DA?NE è formato da tre
elementi(1) il LINAC(2) laccumulatore(3) i
due anelli principali.(4) tre linee di luce di
sincrotroneLe strutture sono state completate
nel 1997 e le prime collisioni sono avvenute nel
marzo 1998.
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DAFNE
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Dafne nel 2002
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Equazione basicaper descrivere il movimento di
una particella in un acceleratore
Lunità di misura dellenergia delle particelle è
lelettronvolt eV pari allenergia di una
particella di carica unitaria accelerata da una
differenza di potenziale elettrostatico di un
volt 1 eV1.6x10-19 Joules Più 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 è un elissoide a 6
dimensioni Energia - posizione
longitudinale Posizione - momento
orizzontale Posizione - momento verticale
y
s
distribuzione
x
coordinata
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Cavità a radiofrequenza
Le cavità a radiofrequenza danno energia al
fascio di particelle ogni volta che esso passa al
loro interno
Campo elettrico
fascio
Nei linac cè un solo passaggio Negli anelli
milioni di passaggi
v c 300.000.000 m/sec Dafne 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
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Lidea di Touschek collisioni materia e
antimateria
Frascati
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
Anello di Accumulazione
Rivelatore
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E m c2
E 2me c2
E 2mm c2
E 2mt c2
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Dove si prende lantimateria?
Luniverso, 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, lantimateria dei protoni, anche se
la loro produzione e manipolazione è più complessa
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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 leffetto
cromatico dei quadrupoli
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Radiazione di sincrotrone
Una particella carica che viaggia in una
traiettoria curva emette fotoni, la cui energia
dipende dalla massa e dallenergia della
particella e dal raggio di curvatura della
traiettoria
Una particella carica che viaggia in una
traiettoria curva perde energia. In un anello di
accumulazione lenergia persa viene compensata
dalle Cavità a radiofrequenza
Energia persa per giro
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Emissione di luce di sincrotrone
Campo magnetico
Energia della particella
Massa
Raggio di curvatura della traiettoria
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Il futuro degli acceleratori
Arrivare a energie dellordine del TeV 1012
eV 10 volte di più del LEP
Linear colliders
Arrivare a luminosità 10 volte maggiori delle
presenti
Factories
Accelerazione di altre particelle , m
Matematica Elettromagnetismo Elettronica Fisica
della materia Informatica Superconduttività Tecnic
a del vuoto lasers
FISICA DEGLI ACCELERATORI
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Beauty-Factory Stanford Linear Accelerator Center
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CLIC
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Elettra Luce di Sincrotrone a Trieste
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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/Welc
  ome.html
• http//www2.slac.stanford.edu/vvc/accelerators
• Livello universitario
• http//www.eece.unm.edu/faculty/humphrie/cpa/cpa.h
  tm