Come funzionano gli acceleratori di particelle

Che si tratti di ricerca medica o scientifica, sviluppo di prodotti di consumo o sicurezza nazionale, gli acceleratori di particelle toccano quasi ogni parte della nostra vita quotidiana. Sin dagli albori del tubo catodico negli anni 90 dellOttocento, gli acceleratori di particelle hanno dato importanti contributi allinnovazione scientifica e tecnologica. Oggi ci sono più di 30.000 acceleratori di particelle in funzione in tutto il mondo.

Che cosè un acceleratore di particelle?

Un acceleratore di particelle è una macchina che accelera particelle elementari, come elettroni o protoni, ad energie molto elevate. A livello di base, gli acceleratori di particelle producono fasci di particelle cariche che possono essere utilizzati per una varietà di scopi di ricerca. Esistono due tipi fondamentali di acceleratori di particelle: acceleratori lineari e acceleratori circolari. Gli acceleratori lineari spingono le particelle lungo una linea del fascio lineare o diritta. Gli acceleratori circolari spingono le particelle attorno a una pista circolare. Gli acceleratori lineari vengono utilizzati per esperimenti a target fisso, mentre gli acceleratori circolari possono essere utilizzati sia per esperimenti con fascio in collisione che per esperimenti con target fisso.

Come funziona un acceleratore di particelle?

Gli acceleratori di particelle utilizzano lelettrico campi per accelerare e aumentare lenergia di un fascio di particelle, che sono guidate e focalizzate da campi magnetici. La sorgente di particelle fornisce le particelle, come protoni o elettroni, che devono essere accelerate. Il fascio di particelle viaggia allinterno di un vuoto nel tubo del fascio di metallo. Il vuoto è fondamentale per mantenere un ambiente privo di aria e polvere in modo che il fascio di particelle possa viaggiare senza ostacoli. Gli elettromagneti guidano e focalizzano il fascio di particelle mentre viaggia attraverso il tubo a vuoto.

I campi elettrici distanziati intorno allacceleratore passano da positivi a negativi a una data frequenza, creando onde radio che accelerano le particelle in gruppi. Le particelle possono essere dirette verso un bersaglio fisso, come un sottile pezzo di lamina di metallo, oppure due fasci di particelle possono entrare in collisione. I rilevatori di particelle registrano e rivelano le particelle e le radiazioni prodotte dalla collisione tra un fascio di particelle e il bersaglio.

In che modo gli acceleratori hanno contribuito alla scienza di base?

Gli acceleratori di particelle sono essenziali strumenti di scoperta per la fisica delle particelle e nucleare e per le scienze che utilizzano raggi X e neutroni, un tipo di particella subatomica neutra.

La fisica delle particelle, chiamata anche fisica delle alte energie, pone domande fondamentali sulluniverso. Con gli acceleratori di particelle come strumenti scientifici primari, i fisici delle particelle hanno raggiunto una profonda comprensione delle particelle fondamentali e delle leggi fisiche che governano la materia, lenergia, lo spazio e il tempo.

Negli ultimi quattro decenni, le sorgenti di luce – acceleratori che producono fotoni, la particella subatomica responsabile della radiazione elettromagnetica – e le scienze che li utilizzano hanno compiuto notevoli progressi che hanno interessato molti campi di ricerca. Oggi ci sono circa 10.000 scienziati negli Stati Uniti che utilizzano i raggi X per la ricerca in fisica e chimica, biologia e medicina, scienze della Terra e molti altri aspetti della scienza e dello sviluppo dei materiali.

Come hanno fatto gli acceleratori di particelle hanno migliorato i prodotti di consumo?

In tutto il mondo, centinaia di processi industriali utilizzano acceleratori di particelle, dalla produzione di chip per computer alla reticolazione della plastica per film termoretraibile e oltre.

Le applicazioni a fascio di elettroni si concentrano sulla modifica delle proprietà dei materiali, come lalterazione della plastica, per il trattamento delle superfici e per la distruzione dei patogeni nella sterilizzazione medica e nellirradiazione degli alimenti. Gli acceleratori a fascio ionico, che accelerano le particelle più pesanti, trovano ampio impiego nellindustria dei semiconduttori nella produzione di chip e nellindurimento delle superfici di materiali come quelli utilizzati nelle articolazioni artificiali.

Come vengono utilizzati gli acceleratori di particelle nelle applicazioni mediche ?

Decine di milioni di pazienti ricevono diagnosi e terapie basate su acceleratori ogni anno negli ospedali e nelle cliniche di tutto il mondo. Ci sono due ruoli principali per gli acceleratori di particelle nelle applicazioni mediche: la produzione di radioisotopi per diagnosi e terapia medica e come sorgenti di fasci di elettroni, protoni e particelle più pesanti per il trattamento medico.

Lampia gamma di le emivite dei radioisotopi e dei loro diversi tipi di radiazioni consentono lottimizzazione per applicazioni specifiche. Gli isotopi che emettono raggi X, raggi gamma o positroni possono fungere da sonde diagnostiche, con strumenti situati allesterno del paziente per visualizzare la distribuzione della radiazione e quindi le strutture biologiche e il movimento o la costrizione del fluido (flusso sanguigno, ad esempio). Gli emettitori di raggi beta (elettroni) e particelle alfa (nuclei di elio) depositano la maggior parte della loro energia vicino al sito del nucleo emittente e servono come agenti terapeutici per distruggere il tessuto canceroso.

La radioterapia con fasci esterni si è sviluppata fino a diventare un metodo altamente efficace per il trattamento dei malati di cancro. La stragrande maggioranza di queste irradiazioni viene ora eseguita con acceleratori lineari a microonde che producono fasci di elettroni e raggi X. Gli sviluppi della tecnologia degli acceleratori, della diagnostica e delle tecniche di trattamento negli ultimi 50 anni hanno notevolmente migliorato i risultati clinici. Oggi, 30 centri di trattamento con fasci di ioni di carbonio e protoni sono operativi in tutto il mondo, con molti nuovi centri in arrivo.

I laboratori nazionali del dipartimento dellenergia hanno svolto un ruolo cruciale nello sviluppo iniziale di questi Tecnologie. Il Los Alamos National Laboratory ha contribuito allo sviluppo di acceleratori lineari per elettroni, ora i cavalli di battaglia della terapia a fasci esterni. Oak Ridge e Brookhaven National Laboratories hanno contribuito gran parte delle attuali competenze sugli isotopi per la diagnosi e la terapia. Lawrence Berkeley National Laboratory ha aperto la strada alluso dei protoni , particelle alfa (nuclei di elio) e altri ioni luminosi per terapia e radiobiologia.

In che modo gli acceleratori di particelle hanno giovato alla sicurezza nazionale?

Gli acceleratori di particelle svolgono un ruolo importante nella sicurezza nazionale, comprese le merci ispezione, gestione delle scorte e caratterizzazione dei materiali.

Le prime applicazioni di acceleratori per ispezionare i combustibili nucleari utilizzavano acceleratori lineari di elettroni commerciali a bassa energia per indurre reazioni di foto-fissione. Queste tecnologie di ispezione si sono estese alle indagini sui fusti di rifiuti negli anni 80 e infine alle ispezioni del carico. Linvenzione del laser a elettroni liberi negli anni 70 ha portato a radiazioni elettromagnetiche di potenza sempre più elevata utilizzando elettroni ad alta energia, di interesse diretto per le applicazioni di sicurezza e difesa, inclusa lapplicazione proposta dalla Marina della tecnologia laser a elettroni liberi alla difesa a bordo. / p>