Che cos'è un sincrotrone?

UN sincrotrone è un progetto di un acceleratore ciclico di particelle, in cui un fascio di particelle cariche passa ripetutamente attraverso un campo magnetico per ottenere energia ad ogni passaggio. Quando il raggio guadagna energia, il campo si regola per mantenere il controllo sul percorso del raggio mentre si muove attorno all'anello circolare. Il principio fu sviluppato da Vladimir Veksler nel 1944, con il primo sincrotrone elettronico costruito nel 1945 e il primo sincrotrone protonico costruito nel 1952.

Come funziona un sincrotrone

Il sincrotrone è un miglioramento del ciclotrone, che è stato progettato negli anni '30. Nei ciclotroni, il raggio di particelle cariche si muove attraverso un campo magnetico costante che guida il raggio in un percorso a spirale, quindi passa attraverso un campo elettromagnetico costante che fornisce un aumento di energia ad ogni passaggio attraverso il campo. Questo urto di energia cinetica significa che il raggio si muove attraverso un cerchio leggermente più ampio sul passaggio attraverso il campo magnetico, ottenendo un altro urto e così via fino a raggiungere i livelli di energia desiderati.

Il miglioramento che porta al sincrotrone è che invece di utilizzare campi costanti, il sincrotrone applica un campo che cambia nel tempo. Quando il raggio guadagna energia, il campo si adatta di conseguenza per mantenere il raggio al centro del tubo che contiene il raggio. Ciò consente un maggiore grado di controllo sul raggio e il dispositivo può essere costruito per fornire maggiori aumenti di energia durante un ciclo. 

Un tipo specifico di design del sincrotrone è chiamato anello di memorizzazione, che è un sincrotrone progettato al solo scopo di mantenere un livello di energia costante in un raggio. Molti acceleratori di particelle usano la struttura dell'acceleratore principale per accelerare il raggio fino al livello di energia desiderato, quindi trasferirlo nell'anello di stoccaggio per mantenerlo fino a quando non può essere scontrato con un altro raggio che si muove nella direzione opposta. Questo raddoppia efficacemente l'energia della collisione senza dover costruire due acceleratori completi per portare due fasci diversi fino al livello di energia pieno.

Principali sincrotroni

Il Cosmotron era un sincrotrone di protoni costruito nel Brookhaven National Laboratory. Fu commissionato nel 1948 e raggiunse la piena forza nel 1953. All'epoca era il dispositivo più potente costruito, in procinto di raggiungere energie di circa 3,3 GeV, e rimase in funzione fino al 1968.

La costruzione del Bevatron al Lawrence Berkeley National Laboratory iniziò nel 1950 e fu completata nel 1954. Nel 1955, il Bevatron fu usato per scoprire l'antiprotone, un risultato che gli valse il Premio Nobel per la fisica del 1959. (Nota storica interessante: è stato chiamato Bevatraon perché ha raggiunto energie di circa 6,4 BeV, per "miliardi di elettronvolt." Con l'adozione di unità SI, tuttavia, il prefisso giga- è stato adottato per questa scala, quindi la notazione è cambiata in GeV.)

L'acceleratore di particelle Tevatron a Fermilab era un sincrotrone. In grado di accelerare i protoni e gli antiprotoni a livelli di energia cinetica leggermente inferiori a 1 TeV, è stato il più potente acceleratore di particelle al mondo fino al 2008, quando è stato superato dal Large Hadron Collider. L'acceleratore principale da 27 chilometri del Large Hadron Collider è anche un sincrotrone ed è attualmente in grado di raggiungere energie di accelerazione di circa 7 TeV per raggio, provocando 14 collisioni di TeV.