Acceleratori di particelle

Gli acceleratori di particelle sono strumenti che svolgono da tempo un ruolo molto importante nella fisica (e non solo), sia per ricerche di tipo fondamentale, sia per applicazioni. Tipicamente, si tratta di strutture complesse che accelerano particelle subatomiche cariche o ioni a velocità molto elevate, fino a farle collidere tra loro oppure contro un bersaglio fisso. Possono essere lineari o circolari: in entrambi i casi l’accelerazione delle particelle avviene tramite l’applicazione di un intenso campo elettrico, mentre nel caso degli acceleratori circolari le particelle vengono mantenute in una traiettoria curva grazie a potenti campi magnetici.
Il più grande e potente acceleratore di sempre è il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, un anello sotterraneo di 27 chilometri di circonferenza che sorge in un’area al confine tra Francia e Svizzera.

L’acceleratore LHC al CERN (© CERN)

Alcuni dei membri del team che ha realizzato AdA (© INFN)

LHC sfrutta in particolare l’accelerazione e la collisione tra protoni ad altissime energie, con l’obiettivo di indagare la struttura fondamentale della materia e verificare le previsioni del modello standard delle particelle elementari, oltre a cercare tracce di “nuova fisica”. La scoperta del bosone di Higgs, avvenuta a LHC nel 2012 è l’ultima delle grandi scoperte ottenute dagli acceleratori di particelle nell’ambito della ricerca in fisica fondamentale. Gli acceleratori sono tuttavia da tempo sfruttati in tutto il mondo per un grande varietà di applicazioni: in campo medico sono molto importanti per la cura dei tumori (in particolare nella radioterapia e adroterapia) e per la produzione di isotopi, mentre in ambito industriale sono usati per la sterilizzazione di prodotti sanitari e alimentari e per l’impiantazione ionica.
L’INFN ha una lunga tradizione nel campo degli acceleratori di particelle, sia all’interno di collaborazioni internazionali (ha, per esempio, un ruolo di primo piano nelle ricerche in corso a LHC), sia con importanti strutture attive nel territorio nazionale.

Nella seconda metà degli anni ‘50 l’INFN ha progettato e costruito il primo acceleratore italiano, l’elettrosincrotrone, realizzato a Frascati, dove è nato anche il primo Laboratorio Nazionale dell’Istituto. Grazie all’intuizione di Bruno Touschek, nel 1961 a Frascati veniva costruito AdA, il primo prototipo mai realizzato di acceleratore con elettroni e positroni circolanti nello stesso anello, uno schema da cui derivano tutti i grandi acceleratori circolari costruiti negli anni successivi in tutto il mondo. Tra le strutture più recenti, vanno ricordati l’acceleratore DAFNE, in funzione dal 1999 ai Laboratori Nazionali di Frascati, che sfrutta collisioni tra elettroni e positroni, il ciclotrone superconduttore attivo dal 1994 al 2020 ai Laboratori Nazionali del Sud e attualmente in fase di upgrade, e il ciclotrone SPES, installato nel 2018 ai Laboratori Nazionali di Legnaro, che verrà usato anche per applicazioni mediche.

Ciclotrone Superconduttore (CS) K800 presso LNS (©INFN)

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I rivelatori sono strumenti essenziali nella ricerca sperimentale, in fisica come in molte altre discipline scientifiche. Nella fisica delle particelle, in particolare, gli esperimenti impiegano complessi sistemi di rivelazione per studiare le collisioni di particelle , con l’obiettivo di tracciarne le traiettorie, misurarne i parametri fisici e identificarne la tipologia.

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Nel corso degli ultimi decenni sono state sviluppate e affinate, con un contributo fondamentale dell’Italia e dell’INFN, numerose tecnologie all’avanguardia per gli esperimenti di fisica delle particelle, in particolare per l’acceleratore LHC.

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