Come si accelera una particella (carica)? 3 marzo 2010
Inviato da Marco in : Fisica, LHC, LHC F.A.Q. 41 commentiDopo aver ricavato un ben po’ di protoni dalla vostra bottiglietta di idrogeno volete accelerarli, ovvero metterli in movimento e fare acquisire loro energia. Perché volete farlo? Perché energia equivale a massa, come insegna il buon Einstein, ergo facendo sbattere particelle leggere ma molto energetiche potete produrre particelle ben più pesanti. Ma questa è un’altra storia.
Accelerare i protoni, dicevamo dunque. Come facciamo? Sfruttiamo il fatto che si tratta di particelle cariche (positivamente), e le mettiamo in un campo elettrico generato da una differenza di potenziale (qualcosa di simile a una pila, insomma). Sollecitate dal campo i protoni si mettono in moto allontanandosi dal polo positivo e correndo verso quello negativo, più o meno così:
La limitazione di un sistema a due soli elettrodi come quello della figura qui sopra è che, per accelerare un protone ad alta energia, dovreste mettere tra gli estremi una differenza di potenziale veramente troppo grande. I fisici sono notoriamente ingegnosi, e hanno risolto il problema costruendo invece un sistema a poli alternati, fatto (più o meno) da una serie di elettrodi cilindrici bucati (all’interno dei quali c’è il vuoto, e che i protoni possono attraversare) tra i quali viene alternata la direzione del campo elettrico. Si inizia dunque da una configurazione di questo tipo:
dove il protone viene accelerato fino al secondo elettrodo. Nel momento in cui il protone passa attraverso il secondo elettrodo (grazie alla velocità che ha acquisito nella prima sezione) viene invertita al volo la polarità della differenza di potenziale, e il secondo elettrodo – che fino a un momento prima era “attrattivo” – diventa “repulsivo”, mentre il terzo diventa attrattivo e così via:
Il protone ha già una certa velocità acquistata nel primo tratto, l’accelerazione nel tratto successivo non fa che aumentarla (se volete esercitarvi ad accelerare qualche particella a mano, potete sempre provate la simulazione interattiva del Microcosmo del CERN).
Nota per i curiosi: se la distanza tra gli elettrodi è costante, il tempo necessario a passare tra il secondo e il terzo elettrodo è inferiore a quello necessario tra il primo e il secondo, essendo la velocità del protone aumentata. Le soluzioni a questo fenomeno sono fondamentalmente due: aumentare il ritmo a cui si inverte la polarità del campo per stare in sincrono con il passaggio delle particelle, o distanziare opportunamente gli elettrodi, aumentando lo spazio tra due accelerazioni successive, come nel modello di acceleratore lineare di Luis Alvarez:
In generale, gli acceleratori di questo genere si chiamano in gergo “linac” (“linear accelerator“): possono servire come collisori (per esempio contro un bersaglio, oppure mettendone due uno di fronte all’altro), oppure come pezzo iniziale di un complesso di tanti acceleratori in cascata (come facciamo qui al CERN, e come vi spiegherò in un’altra occasione).
Nella realtà (e in acceleratori più complessi) le cose sono ovviamente un dito più complicate delle semplificazioni dei miei racconti: qualcosa di simile all’inversione della polarità viene per esempio assicurata da un generatore di radiofrequenza, e la successione di elettrodi in molti casi è rimpiazzata da cavità risonanti come questa:
o questa:
Ma insomma, in fondo il principio rimane lo stesso.
