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Arrivati al terzo appuntamento della nostra rubrica scientifica, tratteremo un tema estremamente attuale: gli acceleratori di particelle. Il funzionamento degli acceleratori è stato affrontato nella storia Topolino e l’acceleratore nucleare scritta da Alessandro Bencivenni e Massimo De Vita. Il primo, in seguito ad una visita al CERN di Ginevra, inviò al maestro De Vita alcune foto dei macchinari del centro.

Un tour esclusivo

La storia inizia con Atomino che invita Topolino e Pippo ad un viggio in Svizzera: il prof. Enigm, che lavora al CERN di Ginevra, inaugurerà un nuovo acceleratore! Segue quindi una spiegazione del funzionamento di tali macchine ai protagonisti.

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Entro i limiti delle spiegazioni per bambini, dalla tavola possiamo vedere come il concetto di base illustrato da Atomino sia essenzialmente corretto, anche se Pippo non sembra aver colto! I nostri, incuriositi, decidono di approfittare dell’invito e dirigersi a Ginevra per vedere con i propri occhi le prodigiose macchine.  Arrivati sul posto, il prof. Enigm guida i visitatori in un tour nel centro mostrando l’acceleratore nelle sue varie parti.

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In questa particolare vignetta inoltre il professore spiega a Topolino che l’acceleratore attualmente in costruzione avrà un raggio di 30 Km e sarà il più grande del mondo! Questa non è fantascienza, il professore fa rifermento a LHC (Large Hadron Collider), un acceleratore che ha richiesto decenni di lavoro per essere completato.

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Con il proseguimento del tour Topolino si rende conto che qualcosa non quadra. Iniziano quindi alcuni attentati alla sua vita. Non ci vorrà molto al nostro eroe per scoprire che uno degli assistenti del professore non è altri che una spia e per sventare il suo piano!

Un esempio dell’importanza degli acceleratori di particelle

Come detto all’inizio, Bencivenni visitò il centro oltre 30 anni fa e inviò alcune foto al maestro De Vita in modo da poter riprodurre, più o meno fedelmente, le varie parti dell’acceleratore. Lo sceneggiatore ricorda tale visita nell’articolo Con altri occhi, Topolino al CERN, scritto per Asimmetrie, la rivista ufficiale dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). All’epoca di questa visita LHC era ancora in costruzione, e l’inaugurazione avvenne il 21 ottobre 2008.

La più grande conquista del LHC è stata la scoperta del Bosone di Higgs, rilevato per la prima volta nel luglio 2012. Cliccando QUI potete vedere il video (in inglese) in cui la scoperta viene annunciata da Peter Higgs, il fisico ad aver teorizzato l’esistenza della particella che porta il suo nome. La notizia è stata resa ufficiale il 6 marzo 2013, nel corso di una conferenza tenuta dai fisici del CERN a La Thuile.

Nella fisica delle alte energie la scoperta è stata epocale, in quanto il bosone, teorizzato ben 50 anni prima, è la chiave di volta per spiegare l’esistenza della massa di tutte le particelle elementari. Difatti, Peter Higgs e François Englert hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2013 “per la scoperta teorica di un meccanismo che contribuisce alla conoscenza dell’origine della massa delle particelle subatomiche”.

Come funziona un acceleratore reale?

Gli acceleratori furono inventati negli anni ’30 per fornire particelle energetiche per studiare la struttura del nucleo atomico. Da allora sono stati usati per studiare molti aspetti della fisica delle particelle. Il loro compito è quello di accelerare e aumentare l’energia di un fascio di particelle, generando campi elettrici che accelerano le particelle e campi magnetici che le guidano e le focalizzano.

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Un acceleratore si presenta sotto forma di un anello (acceleratore circolare), in cui un raggio di particelle si sposta ripetutamente attorno a esso, o in una linea retta (acceleratore lineare), in cui il raggio di particelle viaggia da un’estremità all’altra. Al CERN un certo numero di acceleratori si unisce in sequenza per raggiungere energie successivamente più elevate.

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Il Large Hadron Collider del CERN

Il tipo di particella utilizzata dipende dallo scopo dell’esperimento. Il Large Hadron Collider (LHC) accelera e fa scontrare protoni e anche ioni piombo pesanti. Ci si potrebbe aspettare che l’LHC richieda una grande fonte di particelle, ma i protoni per i fasci nell’anello di 27 chilometri provengono da una singola bottiglia di gas idrogeno, sostituita solo due volte all’anno per garantire che funzioni alla pressione corretta.

Nella prima parte dell’acceleratore, un campo elettrico spoglia gli atomi di idrogeno (costituiti da un protone e un elettrone) dei loro elettroni. I campi elettrici lungo l’acceleratore passano da positivo a negativo a una determinata frequenza, spingendo le particelle cariche in avanti lungo l’acceleratore. Gli ingegneri del CERN controllano la frequenza del cambiamento per garantire che le particelle non accelerino in un flusso continuo, ma in “gruppi” ravvicinati.

Per accelerare le particelle, gli acceleratori sono dotati di camere metalliche contenenti un campo elettromagnetico noto come cavità a radiofrequenza (RF). Le particelle cariche iniettate in questo campo ricevono un impulso elettrico che le accelera.
Nel Large Hadron Collider (LHC), 16 cavità RF sono alloggiate in quattro frigoriferi cilindrici chiamati criomoduli, che consentono loro di lavorare in uno stato superconduttore. Infatti per esperimenti di questo tipo i normali conduttori, come i metalli, non sono sufficienti per via degli enormi impulsi elettrici in gioco.

Il futuro?

Attualmente sono in corso i preparativi per iniziare i lavori per il nuovo acceleratore FCC (Future Circular Collider): sarà un acceleratore ben più grande e potente del suo predecessore, avrà una circonferenza di 100 km, sarà scavato a 300 metri sotto terra producendo collisioni fino a 100 TeV di energia. Con questa nuova macchina si spera di poter scavare ancora di più fra i mattoni fondamentali della materia, svelando la natura della materia oscura.

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Fabrizio Mario Ferrarese

Immagini © Disney, CERN, Wikimedia Commons

Altre puntate della nostra rubrica scientifica:
1. La datazione al carbonio 14
2. Leve e momenti

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