Che cos'è un ciclotrone?

La storia di fisica delle particelle è la storia di come cercare pezzi di materia sempre più piccoli. Quando gli scienziati hanno approfondito la composizione dell'atomo, avevano bisogno di trovare un modo per dividerlo per vederne i mattoni. Queste sono chiamate "particelle elementari". Ci voleva molta energia per dividerli. Significava anche che gli scienziati dovevano inventare nuove tecnologie per fare questo lavoro.

Per questo, hanno ideato il ciclotrone, un tipo di acceleratore di particelle che utilizza un campo magnetico costante per trattenere le particelle cariche mentre si muovono sempre più velocemente in un modello a spirale circolare. Alla fine, colpiscono un bersaglio, il che si traduce in particelle secondarie che i fisici possono studiare. I ciclotroni sono stati utilizzati negli esperimenti di fisica ad alta energia per decenni e sono utili anche nei trattamenti medici per il cancro e altre condizioni.

Il primo ciclotrone fu costruito all'Università della California, Berkeley, nel 1932, da Ernest Lawrence in collaborazione con il suo studente M. Stanley Livingston. Posizionarono grandi elettromagneti in un cerchio e poi escogitarono un modo per sparare le particelle attraverso il ciclotrone per accelerarle. Questo lavoro ha valso a Lawrence il premio Nobel per la fisica del 1939. Prima di questo, l'acceleratore di particelle principale in uso era un acceleratore di particelle lineare,

Dal lavoro di Lawrence sul ciclotrone, queste unità di prova sono state costruite in tutto il mondo. L'Università della California a Berkeley ne costruì molte per il suo laboratorio di radiazione e la prima struttura europea fu creata a Leningrado in Russia presso il Radium Institute. Un altro fu costruito durante i primi anni della seconda guerra mondiale a Heidelberg.

Il ciclotrone è stato un grande miglioramento rispetto al linac. A differenza del design lineare, che richiedeva una serie di magneti e campi magnetici per accelerare le particelle cariche in linea retta, il vantaggio della circolare il progetto era che il flusso di particelle cariche continuasse a passare attraverso lo stesso campo magnetico creato dai magneti più e più volte, guadagnando un po 'di energia ogni volta che lo faceva così. Man mano che le particelle guadagnavano energia, formavano anelli sempre più grandi all'interno del ciclotrone, continuando a guadagnare più energia con ogni circuito. Alla fine, il circuito sarebbe così grande che il fascio di elettroni ad alta energia passerebbe attraverso la finestra, a quel punto sarebbero entrati nella camera di bombardamento per lo studio. In sostanza, si scontrarono con un piatto e quelle particelle sparse attorno alla camera.

Il ciclotrone è stato il primo degli acceleratori ciclici di particelle e ha fornito un modo molto più efficiente per accelerare le particelle per ulteriori studi.

Oggi, i ciclotroni sono ancora utilizzati per alcune aree della ricerca medica e variano in dimensioni da disegni da tavolo all'incirca alle dimensioni dell'edificio e più grandi. Un altro tipo è il sincrotrone acceleratore, progettato negli anni '50, ed è più potente. I più grandi ciclotroni sono i Ciclotrone TRIUMF 500 MeV, che è ancora operativo presso l'Università della British Columbia a Vancouver, British Columbia, Canada e il Superconducting Ring Cyclotron presso il laboratorio Riken in Giappone. È largo 19 metri. Gli scienziati li usano per studiare le proprietà delle particelle, di qualcosa chiamato materia condensata (dove le particelle si attaccano l'una all'altra.

Progetti di acceleratori di particelle più moderni, come quelli in uso presso il Large Hadron Collider, possono superare di gran lunga questo livello di energia. Questi cosiddetti "demolitori di atomi" sono stati costruiti per accelerare le particelle molto vicino alla velocità della luce, mentre i fisici cercano pezzi di materia sempre più piccoli. La ricerca del bosone di Higgs fa parte del lavoro dell'LHC in Svizzera. Altri acceleratori esistono al Brookhaven National Laboratory di New York, al Fermilab in Illinois, al KEKB in Giappone e altri. Queste sono versioni molto costose e complesse del ciclotrone, tutte dedicate alla comprensione delle particelle che compongono la materia nell'universo.