Il futuro della fisica delle particelle era pertanto affidato
allo sviluppo degli acceleratori, macchine che negli ultimi settanta anni
hanno permesso ai fisici lo studio sperimentale del nucleo e la scoperta di
oltre 200 particelle, non tutte elementari.
Come funziona un acceleratore? Un acceleratore prende una
particella, le fa prendere velocità grazie a dei campi elettromagnetici e la
scaglia contro un bersaglio.
In queste collisioni i nuclei si rompono e, se l’energia
è sufficiente, sono create nuove particelle. Ponendo rivelatori di particelle
nelle vicinanze del bersaglio bombardato, si possono studiare tali reazioni e
ricostruire sia le proprietà delle nuove particelle create, sia le forze che
producono questi spettacolari fenomeni di trasformazione di energia in massa.
La richiesta di particelle con energie sempre più alte è
giustificata dalla relazione E = mc2; infatti per produrre
particelle occorre energia sempre più alta quanto maggiore è la massa delle
particelle che si vogliono ottenere. La massa di un protone ad esempio
corrisponde ad un’energia di 938 MeV.
Potremmo dire che il nome di acceleratori non è appropriato
perché le particelle circolanti si muovono con velocità di poco inferiore a c
e quindi ogni acquisto di energia non va ad aumentare la velocità ma, la massa
relativistica della particella. Il termine più appropriato sarebbe quindi
quello di "massificatori".
Come analizzare gli urti
Gli acceleratori possono avere diverse strutture e possono
provocare urti di due tipi. Per quanto riguarda gli urti abbiamo acceleratori a
bersaglio fisso (si spara una particella contro un bersaglio che non si
muove) e acceleratori a fasci collidenti o collisori (si fanno
scontrare due fasci di particelle che si muovono in direzioni opposte). L’avvento
dei collisori ha reso obsoleti gli acceleratori che producono reazioni su
bersaglio fisso perché quest’ultimo tipo di acceleratori è molto più
vantaggioso da un punto di vista energetico.
Per quel che riguarda le strutture distinguiamo i Linac
(acceleratori lineari, in cui la particella parte da un'estremità ed esce
dall'altra) e i sincrotroni (acceleratori circolari, in cui la particella
gira in tondo più e più volte).
Ciclotrone di
Ernest Lawrence
- Il vantaggio degli acceleratori circolari su quelli
lineari è che le particelle in un acceleratore circolare corrono in cerchio
più volte ed aumentano di molto la loro energia ad ogni giro. Così un
sincrotrone fornisce particelle ad altissima energia senza dover essere
molto lungo.
Inoltre se le particelle percorrono il cerchio più volte ci
sono più possibilità di urti dove i fasci di particelle si incrociano. Gli
acceleratori circolari devono avere un enorme raggio per portare le particelle a
energie abbastanza alte, e perciò sono costosi da costruire.
Invece gli acceleratori lineari sono molto più facili da
costruire rispetto quelli circolari, perché non hanno bisogno dei grandi
magneti necessari a costringere le particelle a muoversi in cerchio.
Sempre agli inizi degli anni trenta Lawrence (fisico
statunitense) fece funzionare il primo ciclotrone, una macchina che
permetteva di accelerare protoni mantenuti su un’orbita a spirale da un campo
magnetico.
Tra i più importanti acceleratori oggi in funzione ci sono
quelli del CERN (Organizzazione Europea di Ricerche Nucleari) che è un
laboratorio internazionale che si trova a Ginevra; qui sono in funzione il
supersincrotrone che ha una potenza di 450 GeV e un diametro di 2 Km e il LEP
che ha un anello di 27 km di diametro. Va anche ricordato il protosincrotrone da
1000 GeV del FNAL (Fermi National Argonne Laboratory ) nei pressi di Chicago. A
partire dal 2003 al LEP è stato affiancato il Large Hadron Collider (LHC) in cui
le collisioni protone – protone avvengono ad una energia totale di 14000 GeV.
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