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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Acceleratore di particelle cariche. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano La fisica moderna ha un modo collaudato per penetrare i segreti del nucleo atomico: bombardarlo con particelle o irradiarlo e vedere cosa gli succede. Per i primissimi studi sull'atomo e sul suo nucleo è bastata l'energia delle radiazioni derivanti dal decadimento naturale degli elementi radioattivi. Ma presto questa energia non fu sufficiente e per "guardare" ancora più in profondità nel nucleo, i fisici dovettero pensare a come creare artificialmente un flusso di particelle ad alta energia. È noto che, essendo caduta tra elettrodi con cariche diverse, una particella carica, ad esempio un elettrone o un protone, accelera il movimento sotto l'azione delle forze elettriche. Questo fenomeno diede origine negli anni '1930 all'idea di creare il cosiddetto acceleratore lineare. In base alla progettazione, un acceleratore lineare è una lunga camera tubolare diritta, all'interno della quale viene mantenuto il vuoto. Un gran numero di tubi-elettrodi metallici è posizionato lungo l'intera lunghezza della camera. Da uno speciale generatore ad alta frequenza, viene applicata una tensione elettrica alternata agli elettrodi, in modo che quando il primo elettrodo è caricato, diciamo positivamente, il secondo elettrodo sarà caricato negativamente. Poi di nuovo l'elettrodo positivo, seguito da quello negativo.
Un fascio di elettroni viene sparato dal "cannone" elettronico nella camera e, sotto l'azione del potenziale del primo elettrodo positivo, inizia ad accelerare, scivolando ulteriormente attraverso di essa. Nello stesso momento cambia la fase della tensione di alimentazione e l'elettrodo, appena caricato positivamente, diventa negativo. Ora respinge gli elettroni da se stesso, come se li spingesse da dietro. E il secondo elettrodo, essendo diventato positivo durante questo periodo, attira a sé gli elettroni, accelerandoli ancora di più. Quindi, quando gli elettroni lo attraverseranno, diventerà di nuovo negativo e li spingerà verso il terzo elettrodo. Quindi, man mano che gli elettroni avanzano, accelerano gradualmente, raggiungendo una velocità prossima alla luce entro la fine della camera e acquisendo un'energia di centinaia di milioni di elettronvolt. Attraverso una finestra installata all'estremità del tubo, impenetrabile all'aria, una porzione di elettroni accelerati cade sugli oggetti studiati del micromondo: gli atomi e i loro nuclei. È facile capire che più energia vogliamo impartire alle particelle, più lungo dovrebbe essere il tubo dell'acceleratore lineare: decine o addirittura centinaia di metri. Ma questo non è sempre possibile. Ora, se arrotoli il tubo in una spirale compatta. Quindi un tale acceleratore potrebbe essere liberamente collocato in laboratorio. Un altro fenomeno fisico ha contribuito a dare vita a questa idea. Una particella carica, una volta in un campo magnetico, inizia a muoversi non in linea retta, ma "arriccia" attorno alle linee del campo magnetico. Così apparve un altro tipo di acceleratore: il ciclotrone. Il primo ciclotrone fu costruito nel 1930 da E. Lawrence negli Stati Uniti.
La parte principale del ciclotrone è un potente elettromagnete, tra i cui poli è posta una camera cilindrica piatta. Si compone di due scatole metalliche semicircolari separate da un piccolo spazio vuoto. Queste scatole - dees - fungono da elettrodi e sono collegate ai poli di un generatore di tensione alternata. Al centro della camera c'è una fonte di particelle cariche, qualcosa come una "pistola" elettronica.
Essendo volata fuori dalla sorgente, la particella (supponiamo che ora sia un protone caricato positivamente) viene immediatamente attratta dall'elettrodo, che attualmente è caricato negativamente. Non c'è campo elettrico all'interno dell'elettrodo, quindi la particella vola al suo interno per inerzia. Sotto l'influenza di un campo magnetico, le cui linee di forza sono perpendicolari al piano della traiettoria, la particella descrive un semicerchio e vola fino allo spazio tra gli elettrodi. Durante questo periodo, il primo elettrodo diventa positivo e ora spinge fuori la particella mentre l'altro la aspira. Così, passando da un punto all'altro, la particella prende velocità e descrive una spirale che si svolge. Le particelle vengono rimosse dalla camera con l'aiuto di speciali magneti sul bersaglio degli sperimentatori. Più la velocità delle particelle nel ciclotrone si avvicina alla velocità della luce, più pesanti diventano e iniziano a rimanere gradualmente indietro rispetto al segno mutevole della tensione elettrica sui dee. Non rientrano più nel tempo con le forze elettriche e smettono di accelerare. L'energia limitante che può essere comunicata alle particelle in un ciclotrone è 25-30 MeV. Per superare questa barriera, la frequenza della tensione elettrica applicata alternativamente ai dees viene gradualmente ridotta, adeguandola al battito delle particelle più "pesanti". Un acceleratore di questo tipo è chiamato sincrociclotrone. Uno dei più grandi sincrociclotroni del Joint Institute for Nuclear Research di Dubna (vicino a Mosca) produce protoni con un'energia di 680 MeV e deuteroni (nuclei di idrogeno pesante - deuterio) con un'energia di 380 MeV. Per fare ciò è stato necessario costruire una camera a vuoto con un diametro di 3 metri e un elettromagnete del peso di 7000 tonnellate! Man mano che i fisici penetravano più in profondità nella struttura del nucleo, erano necessarie particelle di energia sempre più elevata. È diventato necessario costruire acceleratori ancora più potenti: sincrotroni e sincrofasotroni, in cui le particelle non si muovono a spirale, ma in un cerchio chiuso in una camera anulare. Nel 1944, indipendentemente l'uno dall'altro, il fisico sovietico V.I. Veksler e il fisico americano E.M. Macmillan ha scoperto il principio dell'autofasatura. L'essenza del metodo è la seguente: se i campi sono selezionati in un certo modo, le particelle cadranno automaticamente nella fase con la tensione di accelerazione per tutto il tempo. Nel 1952, gli scienziati americani E. Courant, M. Livingston e H. Snyder proposero la cosiddetta focalizzazione dura, che preme le particelle sull'asse del movimento. Con l'aiuto di queste scoperte, è stato possibile creare sincrofasotroni per energie arbitrariamente elevate. Esiste un altro sistema di classificazione per gli acceleratori, in base al tipo di campo elettrico in accelerazione. Gli acceleratori ad alta tensione funzionano a causa dell'elevata differenza di potenziale tra gli elettrodi dello spazio accelerante, che è sempre attivo mentre le particelle volano tra gli elettrodi. Negli acceleratori a induzione, "funziona" un campo elettrico a vortice, che viene indotto (eccitato) nel luogo in cui si trovano attualmente le particelle. E, infine, gli acceleratori risonanti utilizzano un campo di accelerazione elettrico che varia nel tempo e nella grandezza, in sincronia con il quale, "in risonanza", viene accelerato l'intero "insieme" di particelle. Quando le persone parlano di moderni acceleratori di particelle ad alta energia, intendono principalmente acceleratori di risonanza ad anello. In ancora un altro tipo di acceleratore - il protone - per energie molto elevate, alla fine del periodo di accelerazione, la velocità delle particelle si avvicina alla velocità della luce. Circolano in un'orbita circolare a frequenza costante. Gli acceleratori per protoni ad alta energia sono chiamati sincrotroni protonici. I tre più grandi si trovano negli Stati Uniti, in Svizzera e in Russia. L'energia degli acceleratori attualmente in funzione raggiunge decine e centinaia di gigaelettronvolt (1 GeV = 1000 MeV). Uno dei più grandi al mondo è il protone sincrofasotrone U-70 dell'Istituto di fisica delle alte energie nella città di Protvino, vicino a Mosca, che è stato messo in funzione nel 1967. Il diametro dell'anello accelerante è di un chilometro e mezzo, la massa totale di 120 sezioni magnetiche raggiunge le 20000 tonnellate. Ogni due secondi, l'acceleratore spara ai bersagli con una raffica di 10 alla dodicesima potenza dei protoni con un'energia di 76 GeV (il quarto indicatore al mondo). Per ottenere questa energia, le particelle devono compiere 400000 rivoluzioni, coprendo una distanza di 60000 chilometri! Qui è stato costruito anche un tunnel sotterraneo ad anello lungo ventuno chilometri per il nuovo acceleratore. È interessante notare che i lanci di acceleratori a Dubna o Protvino in epoca sovietica avvenivano solo di notte, poiché erano forniti di quasi tutta l'elettricità non solo a Mosca, ma anche nelle regioni vicine! Nel 1973 i fisici americani misero in funzione un acceleratore nella città di Batavia, in cui le particelle riuscirono a impartire un'energia di 400 GeV, per poi portarla fino a 500 GeV. Oggi, l'acceleratore più potente si trova negli Stati Uniti. Si chiama "Tevatron" perché nel suo anello lungo più di sei chilometri, con l'ausilio di magneti superconduttori, i protoni acquisiscono un'energia di circa 1 teraelettronvolt (1 TeV equivale a 1000 GeV).
Per ottenere un'energia di interazione ancora maggiore del fascio di particelle accelerate con il materiale dell'oggetto fisico studiato, è necessario disperdere il "bersaglio" verso il "proiettile". Per fare ciò, organizza la collisione di fasci di particelle che volano l'uno verso l'altro in speciali acceleratori: i collisori. Naturalmente, la densità delle particelle nei fasci in collisione non è alta come nel materiale di un "bersaglio" stazionario, quindi per aumentarla vengono utilizzati i cosiddetti accumulatori. Si tratta di camere a vuoto anulari in cui le particelle vengono lanciate "in porzioni" dall'acceleratore. Gli accumulatori sono dotati di sistemi di accelerazione che compensano la perdita di energia delle particelle. È ai collisori che gli scienziati associano l'ulteriore sviluppo degli acceleratori. Finora ne sono stati costruiti solo alcuni e si trovano nei paesi più sviluppati del mondo - negli Stati Uniti, in Giappone, in Germania, nonché nel Centro europeo per la ricerca nucleare, con sede in Svizzera. Un moderno acceleratore è una "fabbrica" per la produzione di intensi fasci di particelle - elettroni o protoni 2000 volte più pesanti. Il fascio di particelle dell'acceleratore è diretto verso un "bersaglio" selezionato in base ai compiti dell'esperimento. Quando si scontrano con esso, vengono prodotte una varietà di particelle secondarie. La nascita di nuove particelle è lo scopo degli esperimenti. Con l'aiuto di dispositivi speciali - rilevatori - queste particelle o le loro tracce vengono registrate, viene ripristinata la traiettoria del movimento, vengono determinate la massa delle particelle, la carica elettrica, la velocità e altre caratteristiche. Quindi, mediante una complessa elaborazione matematica delle informazioni ricevute dai rivelatori, l'intera "storia" dell'interazione viene ripristinata su computer e, confrontando i risultati della misurazione con il modello teorico, si traggono conclusioni se i processi reali coincidono o meno con il modello costruito . È così che si ottengono nuove conoscenze sulle proprietà delle particelle intranucleari. Maggiore è l'energia acquisita dalla particella nell'acceleratore, più forte colpisce l'atomo "bersaglio" o la controparticella nel collisore, più piccoli saranno i "frammenti". Con l'aiuto di un collisore negli Stati Uniti, ad esempio, si stanno conducendo esperimenti con l'obiettivo di ricreare in condizioni di laboratorio il Big Bang, da cui si suppone sia iniziato il nostro universo. I fisici di venti paesi hanno preso parte a questo audace esperimento, tra i quali c'erano rappresentanti della Russia. Il gruppo russo nell'estate del 2000 ha partecipato direttamente all'esperimento, era in servizio all'acceleratore e ha preso i dati. Ecco cosa afferma uno degli scienziati russi - partecipanti a questo esperimento - Candidato di Scienze Fisiche e Matematiche, Professore Associato di MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov: "60 miglia da New York, a Long Island, l'acceleratore RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider - è stato costruito su ioni relativistici pesanti "pesante" - poiché già quest'anno ha iniziato a lavorare con fasci di nuclei di atomi d'oro "relativistico" - anche comprensibile, stiamo parlando di velocità alle quali gli effetti della relatività speciale si manifestano in tutti la loro gloria. E il "collider" (da collidere - scontrarsi) è chiamato perché nel suo anello c'è una collisione di fasci di nuclei in collisione. A proposito, nel nostro paese non ci sono acceleratori di questo tipo. L'energia che cade su un nucleone è 100 GeV. Questo è molto, quasi il doppio rispetto a prima. La prima collisione fisica è stata registrata il 25 giugno 2000." Il compito degli scienziati era quello di provare a registrare un nuovo stato della materia nucleare: il plasma di quark e gluoni. "Il compito è molto complicato", continua Emelyanov, "e matematicamente è generalmente scorretto: la stessa distribuzione fissa di particelle secondarie in termini di momento e velocità può avere cause completamente diverse. E solo in un esperimento dettagliato che coinvolge molti rivelatori , calorimetri, sensori multipli di particelle cariche, contatori che registrano la radiazione di transizione, ecc., c'è speranza di registrare le differenze più sottili inerenti al plasma di quark e gluoni. Il meccanismo di interazione dei nuclei a energie così elevate è di per sé interessante, ma soprattutto, per la prima volta in laboratorio esplorare l'origine del nostro universo." Autore: Musskiy SA
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