Dopo 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.
(Non si vedono le immagini...)
(Naturalmente dopo aver inserito il mio commento le vedo, uffa...)
Ciao Zar. Ho notato anch'io il problema ieri: sembra esserci un qualche tipo di glitch con Google Reader (o con l'interazione tra GR e il mio host). Il feed è a posto con le immagini visibili, ma di tanto in tanto spariscono. Bof... 🙁
Ho trovato il problema, c'era una riga sospetta in .htaccess, lasciata li da un plugin che avevo testato e deciso di non usare. Dovrebbe andare senza problemi adesso.
Grande Marco, è un piacere leggerti,
dalla fisica alla carne dell'orso.
Saluti a tutta la famiglia.
Davide N.
Bravo Marco, aspetto con impazienza i passi successivi!
e come si fanno scontrare i protoni ?
Come si inverte la polarità del campo nel tempo così breve del passaggio dei protoni?? Intendo dire, la sincronizzazione tra il passaggio dei protoni per l' elettrodo e l' improvviso cambiamento di polarità di questo come fa a essere precisa?
@Tiziano: un po' di pazienza! Siamo appena all'accelerazione semplice semplice. Dai un'occhiata al programma, ci arriviamo tra un po'.
@Nick: Con un esercito di studenti cinesi che muovono a ritmo delle manovelle 😛 Più seriamente: come è scritto in fondo all'articolo, con un generatore di radiofrequenza che risuona con la cavità.
C'avessi avuto un prof di fisica come te sarei a far danni pur'io al cern, invece che farli su carta 🙂
Oh beh, Fabio, qualcuno li compra pure i tuoi danni su carta 🙂 In ogni caso, sono lusingato!
Quindi sostanzialmente con l'accelerazione e lo scontro (urti) tra particelle elementari molto energetiche si fa 'sintesi' di nuove particelle a massa/energia superiori...
Domanda: ha senso fisico il processo inverso ovvero cercare eventuali prodotti di disintegrazione negli urti...? Spero di non aver detto una bestemmia: in fondo al di sotto dei quark non dovrebbe esserci nulla, ma questa è solo teoria e la realtà fisico-sperimentale potrebbe sempre riservarci sorprese...o sbaglio ?
SI, ha senso, anche se la ricerca non è esattamente diretta: se le particelle che riteniamo elementari fossero invece composite - è un'ipotesi che viene certamente esplorata - i loro componenti non devono sono stabili, nel senso che non li abbiamo mai osservati da soli. Se esistono è dunque probabile che ne intercetteremo un'evidenza indiretta, come peraltro abbiamo fatto già con in quark, che nessuno ha mai visto slegati, ma della cui esistenza abbiamo sufficienti prove.
Grazie Marco,
questa serie di pezzi divulgativi è propria una boccata d'aria fresca (in questo momento ho mal di testa, ma riesco a comprenderli ugualmente) per tutti coloro - come me - che non sono fisici, ma trovano che la fisica sia un ottimo modo di trascorrere il tempo libero e che sono sempre alla ricerca di "porte d'accesso alla conoscenza".
Come al solito molto coinciso e preciso...
Ma io la cavità risonante non l'ho mai digerita: elettroni che eccitano scatole cilindriche, pacchetti d'onda amplificati che non ho ben capito a che servano... ovviamente parlo da inetto...
Non è che hai qualche link illuminante sull'argomento?
Guardando le fotografie mi stupisce il fatto che quegli aggeggi somigliano un sacco a quelli che si vedono nei fumetti, in particolare nei laboratori dei cattivi !!!! ( sarà solo un caso ? 😉 ) vedi fantastici 4 o spiderman !!! 🙂
Infatti come dice @Nic anche a me è sorta quella domanda, oltretutto il campo magnetico non si forma istantaneamente ma con un certo ritardo o "inerzia" che se non sbaglio si chiama isteresi... come vedi Marco ad ogni tuo articolo che spiega e chiarisce una specifica questione spalanca le porte ad altre 10 domande !!! penso sia la condanna/maledizione di chi fa ricerca e più in generale di tutti i curiosi 😀
@Marco: dipende da che cosa cerchi, e a che livello vuoi e puoi andare. Ti interessa qualcosa sulle cavità risonanti in generale, o il loro uso specifico negli acceleratori?
@Johnatan (e Nick): in breve puoi cercare di vedere al cosa in questo modo. Nella cavità hai un'onda elettromagnetica che viaggia "risuonando" lungo la cavità. Le particelle viaggiano un po' come surfisti "spinti" dalla cresta discendente dell'onda, quindi non c'è una vera e propria inversione "a gradino" (che serve solo come metafora per spiegare il concetto). La cosa funziona bene perché in questo modo riesci a "sincronizzare" il moto delle particelle con l'onda, uniformandone la velocità nel caso ce ne siano diverse che si muovono a energie un po' diverse.
Marco mi permetto di farti una domanda stupida, ma la mia curiosità è veramente troppo alta, quasi incontenibile !
l'LHC quando è in funzione produce sibili o rumori di un qualche tipo ? Poi è possibile rimanere nei tunnel dell'anello o bisogna liberare la zona ?
Se cancelli questo mio post non mi offendo.
Ci sono ronzii e sibili dei sistemi criogenici, dei trasformatori e delle ventole che raffreddano i rack dell'elettronica, ma se stai pensando a un sibilo del fascio che passa devo deluderti: i protoni viaggiano del vuoto, ed è bene che non striscino contro a nulla lungo la loro strada 😉 ergo il fascio di per sé è piuttosto silenzioso.
Quanto al restare nel tunnel, te lo puoi scordare! Primo, non vuoi certo prenderti un fascio in pancia nel caso lo si "perda" lungo una traiettorie; secondo, è pericoloso per via dei gas (se scappano l'elio o l'azoto rischi ustioni da freddo, e di soffocare per mancanza di ossigeno); terzo, parecchie zone si attivano e diventano radioattive, per cui anche a fascio spento chi scende lo fa con cautela e misurando i tempi di soggiorno in zona.
e io che mi aspettavo rumori scoppiettanti da staccata in curva, stile rally !!!! 🙁
ovviamente scherzo. Si intendevo sibili dovuti all'alimentazione dei potenti magneti e i macchinari principali coinvolti della spinta del fascio... non mi riferivo certo alle ventole dei rack e ai clack-clack dei relé insomma... e neanche al rumore dell'aerodinamica del fascio, se è per quello 😀 😀
Quindi il tunnel è pericoloso non solo per le fuoriuscite dei gas criogenici ma anche per il fascio in caso di fuga e per la radioattività !!! insomma un bel ambientino, meglio starci alla larga.
Se il fascio dovesse sfuggire alla massi potenza teorica, che danni causerebbe ? Il danno coinvolgerebbe solo il tubo e i suoi componenti interni o potrebbe danneggiare anche la galleria in cemento o peggio ancora ? insomma non c'è pericolo che i fascio parta per la tangente e "perfori" la terra sbucando fuori dall'atmosfera vero ?
So che i protoni non son neutrini ma che potere "perforante" hanno ?
Credo che, senza prima capire il loro funzionamento "absolutum", non si possa capire come si "abbinano" a tutto il resto...
Per le basi che ho (non molto solide) penso di essere al livello medio di uno "'ngeniere" novello (me la cavicchio con derivate ed integrali, e fino alle equazioni di maxwell diciamo che ci sto...)
Aspetto fiducioso (e intanto cerco qualche libraccio di fisica)
Ciao e grazie!
@ Jonathan.
Ok, il fascio e' fatto di protoni e non di neutrini; i protoni interagiscono molto con la materia mentre i neutrini no, quindi i protoni rilasciano tutta l'energia nel materiale che attraversano. Detto questo pero'
"il fascio" e' qualcosa di piu' che un insieme di protoni. Non e' facile descrivere la sua interazione con la materia perche' intervengono meccanismi non elementari e creazione di plasma.
Sono state fatte diverse simulazioni per capire cosa succede.
Il dato di fatto e' che nel fascio sono immagazzinati circa 300 MJ.
L'equivalente di un boeing in fase di atterraggio. (equivalente a 90Kg di dinamite).
Ci sono in giro dei plot che mostrano l'effetto del fascio su un cilindro di rame lungo 5 metri (li cerco). Alla massima energia, nella peggiore delle ipotesi, viene praticamente trapassato da parte a parte.
Detto questo, gli effetti su LHC stesso, non dovrebbero essere peggiori della perforazione del cilindro esterno (quello blu che si vede nelle foto) e forse il sistema criogenico. Comunque se dovesse raggiungere le pareti non raggiungerebbe mai la superficie.
delo
meno male... perché se così fosse si sarebbe costretti a disporre, sulla circonferenza concentrica all'anello e che poggia sulla superficie terrestre, una serie di catcher muniti di guantoni, costituiti da materia molto densa (piombo non so), pronti ad intercettare il fascio con balzi felini fenomenali !!! insomma la vedevo molto dura 🙂
Quindi in pochissimi milligrammi di materia spinta a velocità relativistiche, è immagazzinata una energia equivalente a 90kg di dinamite, in grado di perforare 5m di rame ! impressionate.
A proposito quale è la massa tipica in gioco che viene accelerata ?
il fascio e' fatto da bunch, delle specie di salsicciotti; a LHC ogni bunch ha circa 10^11 protoni. Al massimo si possono avere 2808 bunch.
Quindi 2.8e14 protoni.
Moltiplicando per la massa del protone viene circa 4.7e-13 Kg;
Abbastanza poco in verita'...
Interessante la discussione sul potere di penetrare la materia di un fascio. Mi fa venire in mente una domanda: in che modo è protetto il personale del LHC? Si è optato per una stanza ingabbiata con piombo sotterranea o una più sicura postazione in superficie magari blindata lo stesso per sicurezza? Che tipo di terreni ci sono dove è stato scavato il tunnel? Quest'ultima domanda in realtà nasce da ciò che ho sentito in un documentario che diceva che i terreni che ospitano LHC hanno per effetto della Luna uno spostamento max di quasi mezzo metro che sinceramente mi sembra esagerato... ho forse inteso male? 🙂
@wimp: il tunnel dell'acceleratore e le caverne degli esperimenti sono a circa 80-100 metri sotto terra. Quando c'è fasci oche circola nessuno può restare nelle zone sotterranee, e ci sono delle procedure precise per verificare l'eventuale presenza di qualcuno prima di attivare l'acceleratore. Le sale di controllo sono ovviamente in superficie. In ogni caso, molta dell'elettronica di controllo di macchina e esperimenti si trova in caverne laterali al tunnel dell'acceleratore: già in queste i livelli di radiazione sono decisamente più bassi, e si può accedere con molta più facilità.
Quanto ai terreni, ecco una visione aerea di dove si trova il tunnel:
Come puoi notare, sta sottoterra nella campagna adiacente a Ginevra, tra il lago Lemano (a destra) e l'ultima propaggine del massiccio montuoso del Jura (a sinistra). Il tunnel non è perfettamente "piano" ma sale un po' andando verso il lato della montagna, proprio per evitare di avere pozzi troppo profondi da scavare da quella parte. Ma questo lo avevi visto?
Mezzo metro per le deformazioni dovute alla Luna è certamente più che esagerato!
Vito che l'LHC spinge elementi con carica elettrica mi chiedevo se era possibile accelerare ioni di atomi sia positivi che negativi ? e se si fino a quale massa atomica ?
Come penso di aver già scritto altrove, LHC accelererà e colliderà anche nuclei più pesanti (per esempio piombo), ovvero ioni positivi. Ma questa è veramente un'altra storia.
mezzo metro su 26 km sono una variazione 0.001% (anche nel raggio.)
Direi che e' plausibile.
L'effetto di maree/piene del lago di ginevra/passaggio nel TGV sulla circonferenza dell'acceleratore sono un fenomeno noto dai tempi di LEP.
Attenzione: differente curvatura = differente energia del facio, ovviamente a LEP le misure con elettroni positroni erano cosi' precise che se ne accorgevano, mentre a LHC non e' rilevante.
ho sbagliato, in realta' 0.5m e' troppo...
la differenza era di 1 mm.
c'e' anche un link di lep che lo spiega
http://visits.web.cern.ch/visits/GuidesManual/LEP_FAQ_ENG.html#17
delo
Ehi! hai idea dell'effetto di una deformazione periodica di mezzo metro sulle strutture, anche solo quelle edili? 😛
leggendo il link di lep si trova dove e' lo spostamento "macroscopico":
"At the new moon and when the moon is full, the earths crust rises by some 25 cm in the Geneva area under the effect of these ground tides. This movement causes a variation of 1 mm in the circumference of LEP (for a total circumference of 26.6 km).
"
e' la crosta che si alza di 25cm non le dimensioni dell'anello che variano.
Ciao Marco, innanzitutto grazie per questa serie di interessanti articoli!
Quando mi ero chiesto in che modo si possano accelerare particelle a velocità così elevate, mi ero immaginato uno scenario simile a quello qui descritto; per risolvere il problema della sincronizzazione tra il cambio polarità e il passaggio delle particelle avevo però immaginato un sistema molto più semplice che non prevede tale sincronizzazione.
Dopo aver letto il post e capito come funziona realmente vorrei chiederti se quanto da me ipotizzato sia effettivamente funzionale (ma non utilizzato perché meno efficiente o non in grado di accelerare oltre una certa soglia) oppure non abbia alcun senso.
Eccone una rappresentazione derivata dalle tue immagini di questo post:
Grazie dell'attenzione.
Ops non si possono includere le immagini...
Metto qui il link diretto:
http://galimbertinet.eu/varie/img/LHC/Acc.png
Ciao.
@dgali: Se capisco bene, tu vuoi collegare due elettrodi consecutivi: ovviamente lo puoi fare, e in fondo le cavità risonanti sono in effetti continue. Però, se veramente vuoi discutere di dettagli, non devi fermarti allo schemino semplificato delle prime figure: l'esempio più vicino alla realtà è quello della quarta figura (i tubi di lunghezza differente collegati alla tensione alternata), che forse non si distacca troppo dalla tua idea. O ho capito male?
Purtroppo sono troppo ignorante per discutere di dettagli... comunque, si, la mia idea era di collegare due elettrodi consecutivi. Questo per evitare di dover sincronizzarne la polarità. Riguardando la mia immagine:
i protoni verrebbero attratti (ed accelerati) dall'elettrodo negativo, per un brevissimo istante respinti e rallentati da quello positivo e immediatamente dopo il passaggio attraverso di esso accelerati per repulsione. I protoni dovrebbero riuscire a passare attraverso all'elettrodo positivo, invece di esserne "risucchiati", grazie alla velocità già acquisita.
Nel caso dell'acceleratore di Alvarez mi pare di capire invece che la tensione alternata serva proprio per invertire le polarità degli elettrodi, oppure non ho capito una mazza?
@dgali: mi sa che c'è un malinteso di fondo: nella figura in questione ho messo due tratti acceleranti (anzi, tre, perché si accelera anche in quello centrale), ma devi immaginare di allinearne un sacco di più (come nella prima foto della cavità). In questo senso, unire gli elettrodi non sarebbe molto astuto: il risultato sarebbe mettere sotto una differenza di potenziale analoga o doppia (a seconda di come vuoi interpretare le pile) un tratto lungo il doppio. Non guadagneresti nulla, e a rapita di accelerazione voluta ti metteresti nella condizione di essere in fondo in un tratto unico a cui applicare una differenza di potenziale molto più grande, cosa non proprio comoda, anzi! In ogni caso, in tutti gli acceleratori (mica solo quello di Alvarez) si usa una tensione alternata (o meglio, una radiofrequenza) per "invertire la polarità). Le pile da girare sono solo una metafora per farmi capire!
Beh, a dire il vero la mia idea era più qualcosa del genere (ovviamente ripetuto più e più volte):
http://galimbertinet.eu/varie/img/LHC/Acc2.png
Ciao, Davide.
P.S.: bellissima la metafora del surfista! 🙂
Davide, non capisco come una configurazione del genere possa funzionare, per due ragioni:
1) dove passano i protoni? Attraverso l'isolante? Se si, come? E in ogni caso, se si, che differenza ci sarebbe rispetto a non mettere nulla (il vuoto è un isolante!)?
2) in ogni caso, se non inverti la polarità in qualche modo, una volta passato il primo tratto, il protone vedrebbe comunque il successivo elettrodo positivo - isolante o no - come "respingente": come farebbe a passare?
Probabilmente non funziona, l'ho detto io stesso fin dall'inizio 🙂
Però mi pare che ancora non riesco a spiegarmi correttamente:
1) ovviamente l'isolante, come gli elettrodi, è cilindrico, quindi i protoni passano "nel centro"
2) come ho scritto nel commento 36; immagino un comportamento simile alla rotazione della terra attorno al sole (solamente che lineare)
Prometto che non disturbo più, anche nel caso in cui non comprenda la tua (eventuale) risposta.
Se l'isolante e` cilindrico, allora la situazione e` esattamente equivalente alla seconda figura di questo articolo. Ergo, se non inverti la polarità, i protoni non si muoveranno oltre il primo tratto. Il punto e che l'energia acquistata nel primo tratto non sarebbe sufficiente a fargli superare la barriera di potenziale del secondo, essendo le due differenze di potenziali uguali.
ciao!!!prima di tutto..complimenti!!ho letto un sacco di cose interessanti...ma ho una domanda da farti ke però nn centra nulla cn qst post (scusami, nn sapevo cm altro fare)!ke differenza c'è tra un acceleratore lineare x elettroni e x protoni??te lo kiedo xkè il mio prof di fisica agli esami fa sempre qst domanda e nessuno sa rispondere!!!grazie in anticipo!
Denise, ho spostato il tuo commento qui perché mi sembra lo spazio più appropriato. Auch, ma come scrivi? Tra 'k' e abbreviazione mi sembra di leggere un SMS... 🙂
Venendo al punto: il tuo prof di fisica insegna fisica dove? Università? Liceo? ITIS? Dammi un'idea del contesto, altrimenti sarà difficile aiutarti. Parli di esami: interrogazioni? Riparazione? Maturità?
In ogni caso, sono certo che qualcosa puoi tirarlo fuori da sola. Per esempio, in cosa sono differenti un elettrone e un protone? Se ti fai venire in mente almeno due caratteristiche per cui sono differenti, vedrai che capire come si differenziano i rispettivi acceleratori sarà facile.
ma se si costruisce un linac che acceleri particelle cariche di tungsteno o mercurio derivate da un generatore di Van der Graaf e le lanci nell'atmosfera con una velocità circa 48 volte la velocità del suono potrebbero diventare un'arma pericolosissima no? potrebbe distruggere tutto quello che trova davanti a se?
@Alby: Immagino tu viglia accelerare ioni di tungsteno o di mercurio, nel senso dei loro nuclei. Prendersi un fascio accelerato di ioni più o meno pesanti addosso non è un'esperienza raccomandabile, ma la "pericolosità" generale dipenderebbe molto dall'energia di questi ioni (48 volte la velocità del suono non mi sembra una quantità pazzesca. Perché poi esattamente 48?) e dal flusso (un solo ione a una certa energia farebbe mooolto meno danni che qualche miliardata di questi ioni). Rimane poi da vedere la portata di quest'arma, trascurando il fatto che non sarebbe proprio comoda da muovere e puntare 🙂
Ma gli ioni in questione devono essere accelerati per forza nel vuoto molecolare? Non si possono accelerare all'aria aperta?
Gli ioni sono caricati positivamente ed il fascio viene focalizzato tramite lenti elettrostatiche poi esso viene condotto in un primo stadio di accelerazione poi di nuovo focalizzato e passa al secondo stadio e qua la frequenza di oscillazione di corrente sugli elettrodi raggiunge 6 Ghz e poi viene direzionato tramite bobine e piastre in aria.
@alby: potresti certamente tentare di accelerarli nell'aria, ma non andrebbero molto lontano! Per non parlare dell'energia (bassa) che potresti raggiungere, e quanti protoni perderesti per strada. Non dimenticare poi che lo scopo dell'acceleratore è far collidere i protoni, dunque ti serve anche saper collimare bene i fasci prima di farli incontrare (cosa per cui il vuoto è obbligatorio). Non è che hai in mente un esperimento alla Tesla, il cui scopo principale sia fare molte scintille? 🙂
no grazie, la bobina di tesla l'ho già costruita! 🙂