Che cos'è un fascio di particelle?
Un raggio di particelle è un raggio di particelle accelerate, generalmente particelle cariche (ioni). Le applicazioni nella vita reale di un fascio di particelle includono acceleratori di particelle ("demolitori di atomi"), nella fisica del plasma, televisori a tubo catodico, schermi di computer e terapie contro il cancro. Dopo una breve raffica di ricerche sugli armamenti a fascio di particelle negli anni '80, tali indagini furono per lo più abbandonate, con laser e altre armi ad energia diretta che ottengono oggi l'attenzione e la ricerca di dollari. Un esempio naturale di un raggio di particelle sarebbe un fulmine, in cui gli elettroni fanno un salto dalle nuvole cariche negativamente al terreno neutro.
La maggior parte dei tipi di fascio di particelle è costituita da particelle cariche come protoni o elettroni, poiché le particelle cariche sono facili da accelerare usando i magneti. La maggior parte dei fasci di particelle viene creata eseguendo un flusso di particelle attraverso una serie di dispositivi, ciascuno dei quali impartisce una leggera spinta al raggio, fino a quando non viene accelerato a una velocità significativa. In alcuni acceleratori di particelle, questa velocità può raggiungere il 99,999% della velocità della luce. I fasci di particelle costituiti da elettroni tendono ad essere i più veloci, poiché queste particelle sono più di mille volte più leggere dei protoni e possono quindi essere accelerate più facilmente.
Sebbene il termine "raggio di particelle" abbia un aspetto fantascientifico, i raggi di particelle si trovano in tutti i televisori a tubo a raggi catodici. Anche tutti i cavi elettrici possono essere considerati contenenti una sorta di fascio di particelle di elettroni, anche se il loro percorso è raramente lineare. In un televisore a tubo a raggi catodici, un fascio di particelle viene prodotto da una pistola elettronica. La pistola elettronica spara elettroni contro uno schermo fluorescente, che si illumina in risposta alle particelle in arrivo, producendo un'immagine.
Un uso innovativo dei raggi di particelle è nella radioterapia, in cui un raggio di particelle è diretto ad uccidere le cellule tumorali. L'aspetto negativo di questo approccio è il danno alle cellule sane e il rischio di esposizione alle radiazioni in eccesso. Il meccanismo d'azione è la radiazione che danneggia il DNA delle cellule maligne, rendendole incapaci di auto-riprodursi. Una sfida in questo tipo di radioterapia è la formazione di tumori a basso contenuto di ossigeno - tumori che superano il loro apporto di sangue. I tumori con alti livelli di ossigeno sono ideali per la radioterapia, poiché bombardare il tessuto ossigenato con radiazioni rilascia numerosi radicali liberi che causano danni secondari alle cellule tumorali.
I fasci di particelle più potenti al mondo sono quelli utilizzati nei più grandi acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider (LHC) vicino a Ginevra, in Svizzera. Il Large Hadron Collider si trova in un tunnel di 27 km (17 mi) di circonferenza, fino a 175 m (570 ft) sotterraneo. Con un costo di circa $ 10 miliardi di dollari (dollari USA), la LHC è una delle macchine più grandi e costose mai costruite.