La fisica delle particelle è la branca sperimentale della fisica moderna che studia i costituenti e le interazioni fondamentali della materia e della radiazione.
La fisica delle particelle, detta anche fisica delle alte energie, studia le particelle create negli acceleratori ad altissima energia e non presenti in natura in condizioni ordinarie.
Gli esperimenti hanno permesso di verificare nuove teorie e portato alla nascita di nuovi modelli in fisica teorica. Lo studio avviene grazie all’utilizzo di fasci di particelle cariche che vengono fatte circolare in grandi macchine che utilizzano potenti campi magnetici e diversi tipi di rivelatori.
Un fascio di particelle ad alta energia è composto da un certo numero di particelle che vengono accelerate a velocità relativistiche lungo un sistema composto da potenti magneti e superconduttori raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto.
Studiare la fisica del fascio è così complesso che nemmeno i supercomputer più veloci possono riuscirci.
Fisica delle particelle: problemi e soluzioni
Tuttavia, un traguardo raggiunto dai fisici degli acceleratori dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’Energia (DOE) ha permesso di studiare le caratterizzazioni dei fasci di particelle con nuovi incredibili dettagli.
Hanno utilizzato una tecnica di misurazione di nuova concezione per studiare più a fondo la perdita del fascio: particelle vaganti che viaggiano al di fuori dei campi di confinamento dell’acceleratore.
Mitigare la perdita è di fondamentale importanza per realizzare acceleratori più potenti più piccoli e più economici.
“È un problema che ci perseguita da più di 20 anni”, ha detto il fisico dell’acceleratore ORNL Alexander Aleksandrov.
“La perdita del fascio è probabilmente il problema più grande per gli acceleratori ad alta energia, come il Large Hadron Collider al CERN e lo Spallation Neutron Source (SNS) qui a Oak Ridge”.
SNS che funziona ad energie di 1,4 megawatt, è una delle strutture per la fisica delle particelle del DOE che sfrutta i neutroni per studiare energia e materiali su scala atomica.
I neutroni vengono prodotti accelerando fasci di protoni a quasi il 90 percento della velocità della luce lungo l’acceleratore linac. Alla fine del linac, il fascio di protoni collide contro un contenitore metallico riempito di mercurio liquido che funge da bersaglio, che vortica a una velocità di 60 giri al secondo.
Le collisioni atomiche producono neutroni: circa 20 neutroni per ogni protone. I neutroni quindi, attraversano i moderatori e le camere a vuoto e si dirigono verso gli strumenti circostanti, dove gli scienziati studiano come sono disposti gli atomi di un materiale e come si comportano.
In sostanza, aumentare la potenza dell’acceleratore aumenta il numero di neutroni, il che a sua volta aumenta la produttività scientifica della struttura e consente nuovi tipi di esperimenti.
Come ha spiegato Aleksandrov, le particelle del fascio dovrebbero formare una nuvola molto compatta.
Se invece alcune particelle si allontanano una parte del fascio si porta a una densità inferiore e se questo alone di particelle, in qualche modo, tocca le pareti dell’acceleratore provoca una perdita nel fascio che può portare a notevoli problemi.
Invece di effettuare le misurazioni al SNS, il team ha utilizzato una replica del linac SNS al Beam Test Facility di ORNL.
Migliorare la fisica delle particelle
L’utilizzo di una replica consente ai ricercatori di condurre studi di fisica delle particelle avanzati sull’acceleratore senza interrompere gli esperimenti nell’effettivo impianto di produzione di neutroni.
La tecnica utilizzata si basa sullo stesso approccio che i ricercatori hanno utilizzato nel 2018 per effettuare la prima misurazione del fascio di particelle in sei dimensioni .
Mentre lo spazio 3D include punti sugli assi x, y e z per misurare la posizione, lo spazio 6D ha tre coordinate aggiuntive che prendono in considerazione l’angolo o la traiettoria di una particella.
“La tecnica è in realtà abbastanza semplice. Prendiamo un blocco di materiale con un numero di fessure che usiamo per ritagliare piccoli campioni.
Questo ci fornisce un fascio contenente un numero più piccolo e più gestibile di particelle che possiamo misurare, e possiamo spostare quel blocco intorno per misurare altre sezioni del fascio “, ha detto Aleksandrov.
I campioni del fascio sono stati estratti da uno dei componenti primari del linac chiamato linea di trasporto del fascio di media energia, o MEBT. La replica MEBT, lunga circa 4 metri, include un raschiatore per ridurre l’alone del raggio iniziale e offre più spazio rispetto ai tipici MEBT per altri strumenti diagnostici.
I fisici invece di tagliare lo spazio delle fasi 6D, questa volta hanno ritagliato solo i campioni nello spazio delle fasi a due dimensioni. Se è possibile misurare in sei dimensioni con una risoluzione ragionevole, è possibile misurare in dimensioni inferiori con una risoluzione molto più elevata.
Utilizzando le misurazioni 6D come approccio di base, la misurazione in 2D ha sbloccato un livello di risoluzione che è stato migliorato di 1 parte per milione. Una parte per milione è significativa per gli acceleratori moderni per due motivi.
È la densità massima consentita alla quale l’alone del fascio è gestibile ed è il livello di risoluzione, o intervallo dinamico, necessario per convalidare e costruire simulazioni di modellazione computerizzata più accurate dell’effetto alone del fascio.
La misurazione effettuate a un’energia relativamente bassa di 2,5 megaelettronvolt ha fornito ai ricercatori informazioni su come modellare il fascio a energie più elevate.
Aleksandrov ha aggiunto che stanno già lavorando al miglioramento della tecnica, che comporterà l’uso di laser per misurare il fascio a un’energia significativamente più alta di 1 gigaelettronvolt.
I risultati della ricerca del team sono pubblicati sulla rivista scientifica Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. Oltre ad Aleksandrov, Cousineau e Ruisard, gli autori del documento includono Alexander Zhukov dell’ORNL.
