Gli acceleratori di particelle C Biscari Divisione Acceleratori

Gli acceleratori di particelle C. Biscari Divisione Acceleratori LNF-INFN 16 - 18 Settembre 2002

Perche’gli 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

I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano sorgenti naturali: particelle alfa, raggi cosmici La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con l’energia: l’energia massima delle particelle alfa è solo 10 Me. V. 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 20 I primi acceleratori sono degli anni 30

Evoluzione degli acceleratori La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei aumenta con l’energia La capacità di creare nuove particelle aumenta con l’energia e la corrente Lo sviluppo degli acceleratori è stato determinato dalla necessità di ottenere energie e intensità di fasci sempre maggiori

Diagramma dell’energia degli acceleratori dal 1930 al 2010 Un ordine di grandezza ogni 7 anni per un totale di 13 (Livingston Chart)

Acceleratori nel mondo Gli acceleratori usati per la ricerca pura sono costruiti ai limiti della tecnologia attuale e sono anch’essi ricerca tecnologica.

L’albero del tempo delle applicazioni degli acceleratori

Sorgenti di particelle Tutti i fasci di particelle hanno origine in una sorgente L’esempio più semplice è un filamento caldo, come quello di una lampadina DE = q. V Gli elettroni sono estratti dal catodo e viaggiando verso l’anodo positivo acquistano un’energia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo I protoni sono il nucleo dell’atomo di idrogeno. Applicando la differenza di potenziale al gas di idrogeno si accelerano i protoni

Primi acceleratori nella storia 1925 -1935 Acceleratori elettrostatici – van der Graff – Emax 10 Me. V Acceleratori lineari – Wideroe Acceleratori circolari – Ciclotrone 1930, Betatrone 1940 , Sincrotrone 1945

Acceleratori lineari Le particelle emesse dal filamento vengono accelerate dal campo elettrico longitudinale generato da elettrodi susseguenti. L’idea di Ising (1924) fu applicata da Videroe e nel 1927 venne realizzato il primo “drift tube Linac”.

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 dell’onda, 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

Il LINAC di DAFNE a Frascati

Linacs… Lunghi da pochi m a qualche Km Energie da pochi Me. V a diversi Ge. V berkeley

Accelerazione = aumento di energia b = v/c La variazione di velocità è trascurabile al di sopra di una certa energia Velocità delle particelle normalizzata alla velocità della luce in funzione dell’energia

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/dt=e v x B il raggio di curvatura della traiettoria dipende dalla carica e dall’energia della particella

L’elettro-sincrotrone di Frascati 1959 -1975

L’osservazione su “targhetta” sincrotrone bersaglio S p+/- LINAC e-, e+, p … rivelatori p, n, etc La materia è vuota : cio’ che non ha interagito viene perduto Energia a disposizione dell’interazione dovuta solo al fascio Il bersaglio è complesso: molte delle particelle prodotte disturbano l’esperimento

Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico e- L’elettrone di alta energia penetra nella targhetta

Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico la massa si converte in energia (fotoni) e

Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico il fotone si converte in un elettrone (e-) e un positrone (e+) e+ ee e+

Produzione di antimateria Sciame elettromagnetico e+ e+ +ee e- e+ e e- e+ ee e- e+ e+ e- ee+ e e- e+ questo processo si ripete e forma uno sciame e+ ee+ *Nota: Solo positroni, elettroni, e fotoni sono creati

Produzione di antimateria Sciame adronico la particella ad alta energia penetra nel mezzo e frattura il nucleo atomico della targhetta producendo diverse particelle K+ p p n + - - *Nota: una grande varietá di particelle si può produrre: per esempio, p, n, , ,

Produzione di antimateria e Sciame adronico + e - - K+ e + K+ - p n K- + - - e e e + Queste particelle possono essere abbastanza energetiche da produrre nuove fratture -

Accelerazione dell’antimateria LINAC per e- targhetta LINAC per e+ Lente focheggiante Alti campi magnetici Sorgente di positroni di DAFNE

Ad. A (Anello di Accumulazione) FRASCATI - 1961 -1965 Registrazione dei primi elettroni accumulati in Ad. A. La vita media era 21 sec, il numero medio 2. 3

I COLLIDERS materia-antimateria ADONE a Frascati 1969 -1993 LEP DAFNE al CERN–di. ADA Ginevra 1988 -2001 1997 a oggi a Frascati 1959

LHC al Cern di Ginevra > 2006

Luminosità • la luminosità L di un collider è proporzionale alla capacità di fare interagire le particelle Numero di particelle per fascio Per aumentare la luminosità si aumenta la densità dei fasci Dimensioni trasverse dei fasci: Si può arrivare a pochi (millesimi di mm) (Cm -2 sec -1 )

Sezione d’urto Due particelle che collidono possono produrre tipi diversi di eventi, alcuni più probabili di altri la sezione d’urto s di un determinato evento è proporzionale alla probabilità che l’evento avvenga Si misura in cm 2 Ls = frequenza con cui accadono gli eventi cercati Si misura in sec-1

Esempio ~1010 ~3. 000 sec-1 1032 cm-2 s-1 2 mm 15 mm + + + … ~ 10 -29 cm 2 frequenza degli eventi Ls=1000 eventi/sec due fasci di 10 miliardi di particelle ciascuno, che si incrociano 3 milioni di volte al secondo producono l’evento desiderato solo una volta ogni 3000 incroci!!!!

DAFNE nei LNF

IL complesso di DA NE è formato da tre elementi: (1) il LINAC; (2) l’accumulatore; (3) i due anelli principali. (4) tre linee di luce di sincrotrone Le strutture sono state completate nel 1997 e le prime collisioni sono avvenute nel marzo 1998.

DAFNE

Dafne nel 2002

Equazione basica per descrivere il movimento di una particella in un acceleratore L’unità di misura dell’energia delle particelle è l’elettronvolt [e. V] pari all’energia di una particella di carica unitaria accelerata da una differenza di potenziale elettrostatico di un volt: 1 e. V=1. 6 x 10 -19 Joules Più usati negli acceleratori i multipli [ke. V, Me. V, Ge. V]

Spazio delle fasi delle particelle Le particelle di un fascio in un acceleratore non hanno tutte la stessa energia e posizione L’energia, la posizione e il momento trasverso hanno distribuzioni gaussiane Il pacchetto di particelle è un elissoide a 6 dimensioni: y Energia - posizione longitudinale Posizione - momento orizzontale Posizione - momento verticale s distribuzione x coordinata

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 c’è un solo passaggio Negli anelli milioni di passaggi v = c = 300. 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

L’idea 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

t E = m c 2 + m- e- e+ e- m+ E = 2 mmet c 2 e+ t-

Dove si prende l’antimateria? L’universo, 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, l’antimateria dei protoni, anche se la loro produzione e manipolazione è più complessa

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 l’effetto cromatico dei quadrupoli

Radiazione di sincrotrone Una particella carica che viaggia in una traiettoria curva emette fotoni, la cui energia dipende dalla massa e dall’energia 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 l’energia persa viene compensata dalle Cavità a radiofrequenza Energia persa per giro

Emissione di luce di sincrotrone Campo magnetico Energia della particella Massa Raggio di curvatura della traiettoria r E DE/giro (m) (Ge. V) DAFNE e+ 1 e- 1 0. 51 . 000009 PEP e+ 14 e- 165 3. 1 9. 0 . 000770. 003570 LEP e+ 6086 e- 6086 100 1. 5 HERA p 584 e- 579 820 30 . 000012 0. 13 LHC p p 7000 . 014 2800

Il futuro degli acceleratori Arrivare a energie dell’ordine del Te. V: 1012 e. V 10 volte di più del LEP Linear colliders Arrivare a luminosità 10 volte maggiori delle presenti Factories Accelerazione di altre particelle , m Matematica FISICA DEGLI ACCELERATORI Elettromagnetismo Elettronica Fisica della materia Informatica Superconduttività Tecnica del vuoto lasers …

Beauty-Factory: Stanford Linear Accelerator Center

CLIC

Elettra: Luce di Sincrotrone a Trieste

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/Welcome. html • http: //www 2. slac. stanford. edu/vvc/accelerators Livello universitario • http: //www. eece. unm. edu/faculty/humphrie/cpa. htm