Come funziona un acceleratore di particelle?
Un acceleratore di particelle è un dispositivo fisico che utilizza campi elettrici per accelerare le particelle cariche a velocità immense, a volte frazioni significative della velocità della luce. Le particelle comuni che possono essere trovate all'interno degli acceleratori di particelle includono protoni ed elettroni, i mattoni dell'atomo.
Un acceleratore di particelle viene utilizzato per osservare il comportamento di piccole particelle ad alte velocità ed energie, nonché per scopi più quotidiani come la generazione di un tipo specifico di radiazione elettromagnetica. Gli acceleratori di particelle sono spesso usati per distruggere le particelle l'una contro l'altra a velocità molto elevate, rivelando i loro componenti più fondamentali. Il generatore di raggi X e il televisore sono entrambi esempi comuni di acceleratori di particelle, con lo stesso design di base dei loro cugini più grandi utilizzati negli esperimenti di fisica ad alta energia. Un acceleratore di particelle rientra in una di due categorie: circolare o lineare.
In un acceleratore circolare di particelle, le particelle vengono accelerate in un percorso circolare continuo. Il vantaggio di questa disposizione è che la particella può essere diretta in un cerchio più volte, risparmiando hardware. Il rovescio della medaglia è che le particelle negli acceleratori circolari emettono radiazioni elettromagnetiche, chiamate radiazioni di sincrotrone. Poiché il loro slancio li incoraggia costantemente a volare su una traiettoria tangenziale al cerchio, l'energia deve essere costantemente spesa per mantenerli sul percorso circolare, il che significa che gli acceleratori di particelle circolari sono meno efficienti. Nei grandi acceleratori, la radiazione di sincrotrone è così intensa che l'intero acceleratore deve essere seppellito sottoterra per mantenere gli standard di sicurezza. L'acceleratore di particelle Fermilab in Illinois ha un percorso circolare di 6,43 km.
Gli acceleratori lineari sparano particelle in linea retta su un bersaglio fisso. Il tubo a raggi catodici nel televisore è un acceleratore di particelle a bassa energia, che spara i fotoni nella gamma di luce visibile su una lastra di vetro, lo schermo. Il flusso di fotoni viene costantemente reindirizzato per riempire lo schermo di pixel. Questo reindirizzamento si verifica abbastanza velocemente da percepire il flusso alternato di fotoni come un'immagine continua.
Acceleratori lineari ad alta energia, o linac , sono utilizzati in applicazioni di fisica. Una serie di piastre attrae e respinge alternativamente le particelle cariche che si muovono attraverso di esse, spingendo in avanti le particelle quando non le hanno ancora superate e spingendole via dopo averle. In questo modo, campi elettrici alternati possono essere utilizzati per accelerare flussi di particelle a velocità ed energie molto elevate. I fisici usano questi acceleratori per simulare condizioni esotiche, come quelle al centro delle stelle o vicino all'inizio dell'universo. Lo "zoo delle particelle" descritto dal Modello standard di fisica delle particelle è stato scoperto in modo incrementale negli esperimenti con l'acceleratore di particelle. Il più grande acceleratore lineare di particelle è lo Stanford Linear Accelerator con una lunghezza di 2 miglia (3,2 km).