Corso acceleratori normalconduttivi e superconduttori: Breve storia e principi di funzionamento degli acceleratori

Corso acceleratori normalconduttivi e superconduttori:

Breve storia e principi di

funzionamento degli acceleratori

Gabriele Chiodini

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Sezione di Lecce

Progetto di ricerca e formazione Rif. PON01_03054

“R.A.I.S.E. Reasearch, Application, Innovation, SErvices in Bioimaging”

Introduzione

• Molti di voi sono nuovi nel campo degli acceleratori di particelle

• Introdurremo solo i concetti basilari

• Approccio completamente intuitivo

• Chiarire i concetti di fisica, nessuna

matematica, nessuna derivazione scientifica

rigorosa

A cosa serve un acceleratore

• Nella prima meta’ del ‘900 strutture acceleranti sono costruite per incrementare l’energia cinetica di atomi carichi (ioni) e indurre nuove reazioni nucleari per urto con un bersaglio (radioisotopi artificiali).

Fisica Applicata

• Nella seconda meta‘ del 900 complessi di accelerazione sono costruiti per raggiungere energie sempre piu‘ alte (energie ultrarelativistiche) e studiare le proprieta‘

infinitesime della materia (particelle sub-atomiche e interazioni fondamentali).

Fisica Fondamentale

Come si accelera una particella

Meccanica classica (Newton)

•

forza=massa x accelerazione: F=ma (non vale per velocita’ prossime alla luce)

•

momento = massa x velocita’: p=mv

Meccanica relativistica (Einstein)

•

incremento di p = forza x tempo: Δp=FT (vale sempre)

•

p=mv dove m e’ la massa relativistica:

•

^{Δp=pfinale -piniziale}~mΔv+Δmv incremento di p e’ dovuto ad incremento della velocita’ e della massa

relativistica

La massa relativistica (quindi il momento e l’energia) tende all’infinito per velocita’ prossime alla velocita’

della luce c = 300,000 km/s → la velocita’ della luce e’ un limite invalicabile.

m = γ m₀

γ = 1 1− β²

β = v c

massa a riposo

fattore di dilatazione relativistica velocita’ relativa a c

β = 1− 1 γ ²

Energia cinetica e relativistica

Meccanica classica (Newton)

•

L’energia cinetica T di una particellla e’ quadratica nella velocita’ e proporzionale alla massa a riposo

Meccanica relativistica (Einstein)

•

L’energia relativistica E di una particella e’ l’ipotenusa di un triangolo rettangolo avente come cateti la massa a riposo ed il momento relativistico.

•

L’energia cinetica T e’ definita come differenza tra energia relativistica E ed energia a riposo E0=m0c²

T = m

₀

v

²

2 = E

= E − m ² = E − E

E = (m₀c²)² + (pc)²

m c^{2 γ =}

E

m c² = E E

⎧⎪

⎪

Esercizio 1

Energia potenziale

•

La forza di gravita’ e’ pari a F=mg dove g=9.8m/s² e’ una costante.

•

Il lavoro L e’ il prodotto forza per spostamento quindi L=Fh=mgh e corrisponde all’energia potenziale U del campo di gravita’

•

L’energia totale E=U+T si conserva

•

L’energia potenziale U=mgh quindi si converte in energia cinetica T=1/2mv² durante la caduta del corpo

U=mgh,T=0

U=mgh/2=T

U=0,T=mgh

v = 2gh

Forze e campi elettrici

Forze elettriche attrattive e repulsive si manifestano facilmente per strofinio

La materia si elettrifica quando gli atomi della materia perdono (+) o acquistano (-) elettroni

Il campo elettrico E agisce sulla carica q con la forza elettrica F=qE

La carica di un elettrone e’ pari a 1.6E-19 Coulomb

L’energia elettrostatica e l’elettronvolt (eV)

•

Il potenziale elettrico V e’ il lavoro fatto dal campo sulla carica unitaria q=1 ed ha le unita’ di Energia/

Carica

•

V=L/q=Fh/q=qEh/q=Eh

•

Si misura in Volt = Joule/Coulomb

•

L’energia potenziale e’ quindi U=qV

•

E’ conveniente usare come unita’ di misura l’

elettronVolt pari all’energia acquistata da un elettrone in una differenza di potenziale di 1 Volt:

1eV= (e) (1V) = (1.6E-19 C) x (J / C) 1eV=1.6E-19 J

Pila da 1 Volt

Massa elettrone e protone

m e =9.1E-31 kg

m e c ² =9.1E-30 kg (3E8) ²⁽ m/s) ² =81E-14 J

m e c ² /e=81E-14 J / 1.6E-19 C = 50E5 eV = 0.5MeV M p =1.7E-27kg

1870xm e =0.94GeV

La massa puo’ essere misurata in energia basta moltiplicare per c

²

1GeV=1000MeV, 1MeV=1000keV, 1keV=1000eV

Spesso si scrive m(GeV/c

²

)

Momento elettrone e protone

• Per l’elettrone l’energia si trasforma prevalentemente in massa relativistica gia’ a circa 1 MeV

• Per il protone l’aumento di velocita’ e’ importante fino a migliaia di MeV

T=E-E0 100keV 1MeV 10MeV 100MeV β=v/c 0.55 0.943 0.9975 0.999987

γ=m/m0 1.2 3 20 200

T=E-E0 1MeV 10MeV 100MeV 1GeV

β=v/c 0.0447 0.0197 0.416 0.866

γ=m/m0 1.001 1.01 1.1 2

elettrone m e =0.5MeV/c ²

protone M p =1GeV/c ²

Il momento puo’ essere misurato in energia basta moltiplicare per c

Spesso si scrive p(GeV/c)

Era pre-acceleratori

Sorgenti di particelle

• Nel 1895 Lenard costruisce i l t u b o c a t o d i c o p e r esperimenti di scattering su gas accelerando elettroni.

• Il tubo catodico viene venduto a Rontgen il quale s c o p r e c h e s t a v a producendo raggi X

Un filamento caldo (K) che funge da catodo in vuoto emette elettroni (-) che vengono accelerati da una differenza di potenziale (Ua) e colpiscono un bersaglio metallico (A) che funge da anodo emettendo raggi X. Il bersaglio e‘ mantenuto a temperatura inferiore a quella di fusione mediante un liquido refrigerante (W).

Radioattivita’ naturale

• Nel 1906 Rutherford bombarda fogli di mica e oro con radiazione naturale alfa di qualche MeV di energia

• Nel 1919 Rutherford induce una reazione nucleare sempre con radiazione alfa

La radiazione alfa emessa da una sorgente naturale e’ trasformata in un fascio collimato e diretto verso un sottile foglio d’oro mediante un forellino di una schermatura in piombo.

Uno schermo di fluorescenza rivela la deviazione a grandi angoli della radiazione alfa

“fotografando” nell’atomo la presenza di un nucleo piccolissimo che contiene pressoche’

Era degli acceleratori

elettrostatici

Acceleratore elettrostatico

• Energia finale = Energia iniziale + (carica ione) x V

• E’ necessario un generatore di altissima tensione in continua:

• Moltiplicatore di tensione di Cockcroft-Walton

• Generatore di Van De Graaff

Cupola ad elevato potenziale elettrico V

Tubo accelerante

Base meccanica a massa

Sorgente di ioni estrati da un tubo a scarica

Bersaglio

Moltiplicatore di Cockcroft-Walton

• Rutherford spingeva per acceleratori superiori al MeV ma questo era fuori la portata di quei tempi

• Nel 1928 Gamov predice che 0.5 MeV potrebbero bastare per indurre reazioni nucleari grazie al effetto tunnel

• Nel 1932 Cockcroft and Walton

raggiungono 0.7 MeV e splittano

l’atomo di litio con protoni accelerati a

0.4 MeV ( Li

⁷

+p →He

⁴

+He

⁴

)

Moltiplicatore di tensione

•

Diodi D1 e D2 conducono c o r r e n t e s o l o n e l l a direzione della freccia

•

Le capacita’ elettriche C1 e C2 si caricano attraverso i diodi alla tensione massima

•

Tensione di uscita somma delle tensioni ai capi dei c o n d e n s a t o r i Vout=VC1+VC2=2VINP

•

^{n stadi Vout=2nVINP}

Cockroft-Walton al FNAL di Chicago

•

Il trasformatore AC di qualche kV non e’ mostrato

•

Nella struttura cubica gli elettroni sono aggiunti ad atomi di idrogeno per formare ioni negativi

•

Gli ioni negativi sono passati nel tubo in alto a sinistra verso il generatore di Cockroft-Walton di 0.75MV

•

Il generatore di Cockroft-Walton e’ sulla sinistra con una cupula nella parte alta

•

Le capacita’ sono gran parte dei cilindri verticali blu

•

I diodi sono i cilindri diagonali

•

Le sfere metalliche ed i toroidi evitano la formazione di effetti corona e scariche tra i punti di connessione

Generatore di Van de Graaff

• Nei primi anni ‘30 Van de Graaff costruisce

il suo generatore di alta tensione che raggiunge i 1.5 MV

• Questi generatori possono operare

fino a 10 MV a forniscono fasci

stabili, altamente direzionali e con

bassa dispersione di energia

Tandem Van de Graaff

•

Il raddoppio di energia si raggiunge con una idea m o l t o i n t e l l i g e n t e : cambiare segno di carica alle particelle accelerate e u s a r e u n s e c o n d o generatore di polarita’

opposta

•

Q u e s t i g e n e r a t o r i possono operare fino a 10 MV a forniscono fasci s t a b i l i , a l t a m e n t e direzionali e con bassa dispersione di energia

E = V + zV

Limite acceleratori elettrostatici

• Il limite dei generatori elettrostatici e’

di 10 MV oltre i quali si hanno b re a k d ow n e l e t t ro s t a t i c i d e g l i isolamenti elettrici e non si puo’

aumentare l’energia mettendoli in cascata piu’ volte

• I l c a m p o e l e t t r i c o s t a t i c o e ’

conservativo e non puo’ essere usato

per incrementare l’energia mediante

passaggi multipli

L’era dei “veri”

acceleratori

Acceleratori lineari e circolari

Lineari

Circolari

ma con impiego di campi

variabili nel tempo

1.Catena di strutture identiche.

2.Campi elettrici variabili nel tempo per non aumentare il potenziale elettrico tra una struttura e l’altra

Acceleratori lineari

Il Linac di Wideroe

• Nel 1924 Ising propone di usare campi elettrici variabili tra tubi conduttori cavi consecutivi (tubi di drift) per incrementare l’energia oltre la massima tensione elettrica presente nel sistema (“vero” acceleratore).

• Nel 1928 Wideroe dimostra il principio di Ising con un oscillatore di radiofrequenza di 1 MHz di frequenza e 25 kV di ampiezza per accelerare ioni di potassio a 50 keV

E=0 E=0 E=0 E=0

+→−

E<0

−→+

E>0

+→−

E<0

+ - + -

+ -

Il fascio estratto e’ a

pacchetti. Solo le particelle

sincrone sono accelerate

(slide successiva)

Condizione di sincronia

L

₀

= v

₀

T 2

+ - + -

modo π

+

- - +

+ - + -

E(t) = E

₀

cos(2 π ^ft)

t 0

t 2 =t 0 +T/2

t 2 =t 0 +T

L = vT

E = E

₀

2

L

₁

= v

₁

T 2

E = E

₀

E = E

₀

Il Linac di Alvarez

• I tubi a drift sono limitati a frequenze non superiori a 10 MHz e poi diventano antenne e disperdono energia nello spazio. A queste frequenze ed ad alta energia la lunghezza dei tubi diventa proibitiva

• Nel 1946 Alvarez avvolge i tubi a drift in una Cavita’ RF Risonante alimentata da una Sorgente RF di Alta Potenza ed Alta Frequenza esterna che genera onde elettromagnetiche di 200 MHz (Tecnologia Radar della II

condizione di sincronia: modo 2π

L = vT

Onde

elettromagnetiche

f = 1 T

f=10MHz → T=100ns → λ=30m f=200MHz → T=5ns → λ=1.5m f=3GHz → T=0.33ns → λ=0.1m

E(t, z) = E₀ cos(2π ^t

T − 2π ^x λ⁾

λ = c

f = Tc

Frequenza

Lunghezza d’onda

Un’onda elettromagnetica nel vuoto e’ costituita da campi elettrici

e magnetici variabili sinusoidalmente nel tempo e nello spazio ed

ortogonali alla direzione di propagazione.

Velocita’ di fase

E(t, z) = E₀ cos(2π ^t

T − 2π ^x λ⁾

E(t, z) = E₀ cos(2π ^{t + Δt}

T − 2π ^x λ⁾

La velocita’ di fase e’ determinata dal moto apparente della cresta dell’onda.

v

_fase

= Δx

Δt = c

NB: In una cavita’ risonante la velocita’ di fase vfase dell’onda elettromagnetica e’

inferiore a c e quindi e’ possibile accelerare una particella soddisfacendo la

tt

t

fase = cos tan te =ϕ = 2πt

T − 2πx λ 2πt

T − 2πx λ ⁼

2π(t + Δt)

T − 2π(x + Δx) λ

Δt

T = Δx

λ ^→

Δx Δt = λ

T

Limitazione del Linac

• L’impiego della radiofrequenza permette di avere s e m p r e p o t e n z i a l e n u l l o a i d u e e s t r e m i dell’acceleratore evitando il breakdown del sistema

• Questo permette di mettere in cascata un numero illimitato di tubi a drift spaziati da gap di accelerazione

• Il linac diventa impraticabile a energie troppo alte

perche’ la lunghezza diventa irrealistica

Acceleratori circolari

1.Impiego di campi variabili nel tempo per ottenere aumento di energia lungo orbite chiuse 2.Necessita deflessione in piu’ regioni fino ad ottenere orbite chiuse

Campo magnetico

•

Il campo magnetico B e’ generato da una corrente elettrica macroscopica (bobina) o microscopica (domini ferromagnetici dei materiali) ed e’ ad essa ortogonale

•

Il campo magnetico generato da una spira (o un magnete) si manifesta come una forza agente su un’altra spira (o altro magnete)

•

I poli di una spira (o di un magnete) si respingono (attraggono) se generati da correnti aventi verso uguale (opposto)

•

I poli di una spira (o di un magnete) non possono essere separati (non esistono monopoli magnetici) quindi la forza magnetica agente su una spira (o su un magnete) tende a farla ruotare (come l’ago di una bussola).

Spira di corrente equivale ad aghetto magnetico

Forza elettrica e magnetica agenti su una particella carica carica

• La forza elettrica e’ parallela al c a m p o e l e t t r i c o e s o l o l a componente parallela alla velocita’

puo’ accelerare la carica

• la forza magnetica e’ ortogonale alla velocita’ ed al campo magnetico, quindi non puo’ accelerare la carica

• In regime relativistico v=c e la forza magnetica diventa molto efficiente nella deflessione

F

_elettrica

= qE

F

_magnetica

= qvB B

v

v

E

Moto circolare uniforme

F

_centripeta

= ma

_centripeta

= m v

²

ρ

a = v²

ρ

Una particella di massa m che compie un moto circolare uniforme di raggio ρ con una velocita’ tangenziale v e’ soggetta ad una accelerazione verso il centro pari a

a=v²/ρ (accelerazione centripeta).

La legge della forza di Newton implica necessariamente che ad una accelerazione centripeta corrisponda una

Forza centripeta = massa x accelerazione centripeta v

m ρ

F

_centriguga

= −ma

_centripeta

F

_centripeta

+ F

_centriguga

= 0

F

_centripeta

Moto circolare uniforme in campo magnetico

Forza centrifuga = -Forza centripeta

−F_centrifuga = ma = m v² ρ ⁼

pv ρ

F

_centripeta

= qvB

pv

ρ ^{= qvB}

Forza centripeta = Forza di magnetica

p

q = ρ ^B

^{p(GeV / c)}

z = 0.3

ρ

^(m)B(T)

rigidita’ magnetica

p = ρB → cp / e

= cρB → p(eV / c)

= cρB → p(GeV / c)

= cρB⋅10⁻⁹ → p(GeV / c)

= 3⋅10⁸ ⋅ ρB⋅10⁻⁹

Il Ciclotrone

• Nel 1929 Lawrence progetta il famoso ciclotrone: un linac avvolto su se stesso

• Nel 1931 il suo studente Livingston ne costruisce uno dimostrativo accelerando ioni di idrogeno fino a 80 keV

• Nel 1932 Lawrence ne costruisce

uno accelerando protoni fino a 1.25

MeV e splitta gli atomi

Ciclotrone

•

Un elettromagnete genera un campo magnetico che fa ruotare le particelle cariche.

•

Su due contenitori cavi a forma di D e’ applicata una tensione alternata sincronizzata con l’arrivo delle particelle cariche.

•

Ad ogni passaggio delle particelle cariche tra i due D queste vengono accelerate.

•

Le particelle cariche immesse dalla sorgente al centro tra i due D spiraleggiano fino ad essere estratte e inviate sul bersaglio.

Condizione di sincronia del ciclotrone

T = 2πρ

v = 2πρ

p / m = 2πρ

qρ^{B / m = 2}π ^m qB

f = 1

T = 1 2π

qB m

Periodo di rivoluzione

Frequenza di rivoluzione

In regime non relativistico f e’

costante e la particella accelerata r i m a n e s i n c r o n a c o n l a radiofrequenza (adatto per protoni

Il fascio estratto e’ a

pacchetti. Solo le particelle

Il betatrone

• Nel 1923 Wideroe progetta il betatrone scoprendo la famosa regola 2 a 1 il suo prototipo non funziona

• Nel 1940 Kerst reinventa il betatrone e lo costruisce per elettroni fino a 2.2 MeV

• Nel 1950 kerst costruisce il

betatrone piu‘ grande del

mondo per elettroni fino a

300 MeV

Il betatrone

• Un elettromagnete pulsato genera un campo magnetico variabile che fa ruotare le particelle cariche.

• Le particelle cariche circolano in un tubo circolare avvolgendo poloidalmente il campo magnetico variabile

• Il campo magnetico guida mantiene le particelle in orbita circolare e il campo magnetico medio accelera le particelle per induzione magnetica

• Il campo medio ed il campo guida devono

soddisfare la regola 2:1 per mantenere le

particelle sincrone (principio di Wideroe)

Legge di induzione magnetica di Lenz

B=campo MAGNETICO ESTERNO VARIABILE nel tempo

E=campo elettrico indotto

Il lavoro del campo elettrico lungo una curva chiusa C di lunghezza L e’ pari alla velocita’ di variazione del flusso magnetico Φ che attraversa la superfice S

V = EL = − Φ

_max

T = − B

_max

S T

Il campo elettrico indotto dal campo magnetico variabile e’ ortogonale ad esso e in grado di accelerare una particella carica lungo la traiettoria chiusa

S=superfice sottesa da C

C=curva chiusa

L’alternatore converte energia

meccanica in energia elettrica NB: Il verso del campo elettrico e’ tale da creare eventualmente una

Rapporto 2:1

E_poloidale2πρ = Φ_max

T = B_max^medioπρ² T

p = F

_poloidale

T = eE

_poloidale

T = eB

_max^medio

ρ 2

p = e ρ ^B

_guida

B

_guida

= 1

2 B

_max^medio

T

• Il fascio durante l’estrazione e’ continuo

• T e’ dell’ordine dei ms Accelerazione

Rotazione

Il sincrotrone

•

Nel 1943 Oliphant unisce tre concetti:

accelerazione con risonatori, frequenza variabile, campi magnetici guida pulsati.

•

1 9 4 4 M c M i l l a n a n d V e k s l e r indipendentemente propongono il sincrotrone con Stabilita’ di Fase

•

Nel 1946 Goward and Barnes sono i primi a costruire un sincrotrone in UK

•

Nel 1952 diversi gruppi inventano la Focalizzazione Forte

•

Nel 1956 MURA in US propongono lo Stacking per aumentare l’intensita’ dei fasci

•

Nel 1961 Touschek realizza il primo collisionatore elettroni-positroni (e⁺-e^-) ad Molto spazio per iniezione, esperimenti, estrazione,

radiofrequenza ... grazie alla “focalizzazione forte”

dei quadrupoli (prossima lezione).

Deflessione particelle cariche

Deflessione magnetica

Dipolo magnetico a forma di C impiegato come campo guida delle particelle lungo il sincrotrone (ottimo in regime relativistico)

Deflessione elettrostatica

Piatti carichi (V~200kV) usati per iniettare fasci nel sincrotrone (ottimi a bassa energia)

E = V h B = µ

₀

^nI

h

dove μ0=4π10^-7H/m, n=numero di spire, I

corrente nelle spire, h altezza del traferro V potenziale e E campo elettrico verticale

θ

L h

v

v_h << v

Ciclo di sincrotrone

p(GeV / c)

z = 0.3 ρ ^(m)B(T)

f

_r

= 2 π ^v ρ ⁼

f n

Orbita circolare

Condizione di sincronia:

la frequenza f della radiofrequenza deve essere un multiplo intero n della frequenza di rotazione fr

•

Il fascio e’ a pacchetti

•

T e’ dell’ordine delle ore o giorni

NB: si dice sincrotrone perche‘ la frequenza f delle cavita’ deve essere aggiustata durante RF ↑

B ↑

RF=OFF B=costante

Elettrosincrotone di Frascati

(1959-1975 elettroni a 0.4-1 GeV)

4 dipoli→“focalizzazione debole”

P o c h i s s i m o s p a z i o p e r i n i e z i o n e , e s p e r i m e n t i , estrazione, radiofrequenza ...

Ci vuole una “focalizzazione forte” → quadrupoli (prossima lezione).

Classificazione

•

Acceleratori elettrostatici

•

Cockcroft Walton

•

Van De Graaff

•

^Tandem

•

Acceleratori con campi elettrici variabili

•

Acceleratori a induzione

•

^Betatrone

•

Acceleratori a radiofrequenza

•

^Linac

•

^Ciclotrone

•

Sincrotrone

EL = V

V = EL = − B

_max

S T

Betatrone:

Unbunched E poloidale

Risonatore:

Bunched E assiale Forza conservativa elettrostatica

Forza ponderomotrice d’induzione elettromagnetica

Applicazioni non HEP

•

Sorgente di luce di sincrotrone

•

Sorgente di neutroni per spallazione

•

Produzione di isotopi

•

Spettroscopia di massa atomica

•

Radiografie X

•

Terapie contro il cancro

•

Impiantazione ionica

•

Metallurgia di superfice

•

Sterilizzazione cibi e materiali

•

Driver per fusione nucleare inerziale

•

Reattori a fissione assistiti da acceleratori (ADS)

High Energy Physics (HEP)

Nei bersagli fissi l’intesita’ e’ l’elevata perche’ il bersaglio e’ molto denso.

Gran parte dell’energia e’ persa in energia cinetica di rinculo del bersaglio fisso.

Nei collisionatori particelle di carica e momento opposto si scontrano e tutta l’energia e’ a disposizione dell’interazione (nuove particelle pesanti mai create fino ad ora).

L’intensita’ e’ minore perche’ il bersaglio ora e’

un fascio poco denso.

Nei collisionatori circolari (anello singolo o doppio anello) e’ possibile accumulare piu’ carica (stacking) mediante iniezioni multiple e far collidere piu’ volte sempre gli stessi fasci.

Targetta fissa e collisionatori

E

_finale²

= m

_finale²

+ p

_finale²

→ m

_finale²

= E

_finale²

− p

_finale²

E

_finale

= E

_iniziale

= E

₁

+ E

₂

= m

₁²

+ p

₁²

+ m

₂²

+ p

₂²

p

_finale

= p

_iniziale

= p

₁

+ p

₂

⎧

⎨ ⎪

⎩⎪

m_finale ⎯^E⎯⎯⎯ 2 E^1>>m1,m2→ ₁m₂

Massa sistema finale dopo la collisione

Conservazione energia relativistica Conservazione momento relativistico

m_finale = E₁ + E₂ m₁, E₁, p₁ m₂, E₂, p₂ = 0

m₁, E₁, p₁ m₂ = m₁, E₂ = E₁, p₂ = −p₁

Prima dell’urto Dopo l’urto

Targetta fissa

Collisionatore p_finale = p₁

Frontiera dell’energia e dell’intensita’

L’intensita’ dei fasci si misura in corrente (I) ed a parita’ di potenza (W) e’ piu’ alta in macchine di piu’

LHC: Il piu’ potente

acceleratore del mondo

Il Large Hadron Collider al CERN di Ginevra e’ collocato a 200 metri sotto terra, ha un circonferenza di 27 km, accelera due fasci di protoni in direzioni opposte in due anelli distinti fino ad energie di 7000 GeV ed ha quattro punti di interazione con altrettanti esperimenti.

Complesso di

accelerazione del CERN

LHC:450→7000GeV

SPS:26→450GeV

BOOSTER:50MeV→1.4GeV

LINAC:50MeV

PS:1.4→26eV

Il rivelatore ATLAS

p p

B muone

fotone elettrone adroni

LHC e’ il microscopio e ATLAS e’ l’occhio

Higgs

Scoperta del bosone di Higgs

Evento ricostruito in cui l’Higgs decade in 4 muoni Accumulo di eventi

corrispondenti al decadimendo

Perche’ le alte energie (HEP)

10^-9m molecola d acqua 10^-10m atomo di idrogeno

10^-15m protone

< 10^-18m quark 10^-3m goccia d acqua

elettrone

fotone gluone

L’acceleratore e’ il piu’ potente strumento mai costruito

Luce naturale

Microscopio Occhio

umano

Cellula = 10^-6 m

La risoluzione spaziale dipende dalla lunghezza d’onda λ della radiazione impiegata λ = h

p = h

E / c = hc / e

E / e = hc / e(m)

E(eV) = 1.24 ⋅10⁻⁶(m)

E(eV)

h = 6.63⋅10

⁻³⁴

J ⋅s

Costante di Planck determina le proprieta’ ondulatorie della materia

Energia=1TeV

La famiglia di particelle e forze elementari ora completa dopo la scoperta nel 2012 a LHC del bosone di Higgs a 126 GeV di massa. Premio Nobel 2013 ai teorici che lo ipotizzarono 40 anni fa per spiegare la massa delle particelle elementari (quark e leptoni) e dei mediatori della forza elettrodebole.