Un acceleratore di particelle nell’insalatiera Teach article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Costruire un acceleratore di particelle utilizzando un generatore di Van de Graaff, una pallina da ping-pong e una insalatiera, per comprendere come si utilizzano per studiare la materia al livello più interno.

Gli scienziati sono sempre alla caccia dei mattoncini costituenti l’Universo. Una volta, ad esempio,  si supponeva che l’atomo fosse indivisibile, e rimase la particella più piccola fondamentale fino a quando non si scompose per rivelare che al suo interno  conteneva  elettroni, protoni e neutroni. Gli acceleratori più potenti hanno rivelato che i protoni e i neutroni possono essere ulteriormente suddivisi: adesso è noto che ciascuno di loro contiene tre quark. L’ultima particella scoperta è il bosone di Higgs, osservato nel 2012 mediante il più grande acceleratore di particelle del mondo (LHC) del CERN di Ginevra.

Gli acceleratori di particelle, che accelerano elementi carichi (come protoni ed elettroni) fino a quasi la velocità della luce, sono utilizzati per studiare la materia al suo interno al livello più basso. Questo ha fatto sì che gli scienziati comprendessero meglio le proprietà delle particelle elementari, come interagiscono e finalmente, come funziona l’Universo. La teoria che meglio descrive le particelle e le loro interazioni (tutte tranne la gravità) è detta Modello Standard della fisica. Sin da quando questo modello è stato perfezionato nel 1970, è stato in grado di spiegare la teoria alla base di molte evidenze sperimentali.

Comunque, le domande non sono finite. Si sa che il Modello Standard è in grado di descrivere solo il 4% dell’Universo. Perciò sono necessari ancora tanti esperimenti e  mezzi  più potenti, per comprendere il restante 96% della complessità dell’Universo, inclusa l’enigmatica ‘materia oscura’. Gli acceleratori  utilizzati per realizzare questi esperimenti sono mastodontici, ma comunque se ne potrà capire il funzionamento anche in classe.

Creare un acceleratore con una insalatiera

Puoi osservare la scintilla scaturita dallo accumulo di elettricità statica a causa dell’attrito, o forse osservare come il generatore di Van de Graaff ti fa rizzare i capelli sulla testa. Questo strumento si può sfruttare per rendere carica staticamente una grande sfera di metallo raggiungendo una tensione molto alta. Questo strumento è stato progettato per fornire alta energia necessaria alle particelle dotati di carica  nei primi acceleratori di particelle, ed è lo stesso principio che è ancor oggi sfruttato negli acceleratori  elettrostatici di particelle.

Comunque oggigiorno la maggior parte dei moderni acceleratori di particelle su grande scala, utilizzano campi elettromagnetici variabili: i campi elettrici accelerano le particelle fino a farle raggiungere una velocità incredibilmente alta e con i campi magnetici si controlla e si contiene il raggio di particelle nella sua traiettoria. Questo processo può essere dimostrato utilizzando un generatore di Van de Graaf, una pallina da ping-pong rivestita di un vernice metallica e una insalatiera. Gli studenti possono costruire l’acceleratore da loro stessi o l’insegnante può prepararlo prima della lezione. Un video che illustra i passi salienti può aiutare la costruzione di  un acceleratore con una insalatiera (seguendo il metodo illustrato, vedi sotto), e anche uno che utilizza bicchiere di carta carta si trova su YouTube^w1.

Materiali

• Una insalatiera in plastica (non di vetro): molto regolare e liscia – ogni piccola gobba o incavo potrebbe modificare la traiettoria della pallina
• Una pallina da ping-pong o in polistirene
• Una vernice conduttrice: a base di nichel o grafite (per creare il rivestimento conduttore)
• Un pennellino
• Un nastro adesivo in  alluminio o in rame, di almeno 2 cm di altezza
• Un generatore di Van de Graaf (o un generatore di Wimshurst)
• Cavi elettrici, connettori a banana, e a coccodrillo
• Forbici
• Stuzzicadenti (per trattenere le palline mentre si pitturano e si asciugano)
• Fogli di giornale (per proteggere la superficie sulla quale si usa la pittura)
• Un cucchiaio di plastica (per maneggiare le palline quando sono dentro l’insalatiera)

Metodo

1. Preparare la pallina da ping pong con la vernice conduttrice. Poiché la vernice impiegherà un certo tempo ad asciugarsi, si potrebbe cominciare a pitturare la pallina alcuni giorni prima della preparazione dell’insalatiera.
2. Tagliare due strisce del nastro adesivo di alluminio. Ciascuna alta 2 cm e lunga a sufficienza per coprire il tratto dell’insalatiera che va dal bordo al fondo e continuando fino all’altra estremità della insalatiera.
3. A metà di queste strisce, regolare ciascun lato di modo che siano il più vicino possibile (circa ad 1 cm dal centro) alla striscia, come in figura 1.

4. Incollare le strisce all’interno dell’insalatiera: dovrebbero incrociarsi a 90°, formando una croce al centro dell’insalatiera. Le strisce devono terminare all’estremità dell’insalatiera (figura 2).
5. Tagliare otto, piccole strisce (larghe circa 1 cm) da un’altro pezzo di nastro adesivo di alluminio. Dovranno essere sufficientemente lunghe in modo da coprire il tratto dal bordo dell’insalatiera al centro di essa. Attorno agli estremi della striscia alcune cariche possono sfuggire per effetto degli spigoli. Da notare che le strisce più larghe nella fase 3 non hanno bisogno di essere arrotondate.
6. Utilizzando quattro delle strisce più strette, incollarne una in ciascuno degli spazi tra i bracci della croce. Non devono toccare il centro. L’estremo delle strisce deve andare oltre gli estremi dell’insalatiera e giù lungo la parte esterna.

7. Con le rimanenti quattro strisce di nastro, congiungere le strisce più strette all’esterno dell’insalatiera (figura 4).

8. Usare il nastro di alluminio adesivo, i coccodrilli e i connettori a banana per connettere una delle strisce più strette sul bordo dell’insalatiera al terminale di terra del generatore di Van der Graaf e per connettere la croce al terminale di alta tensione (la cupola) del generatore (figura 5). Assicurarsi che l’alta tensione e la messa a terra non si tocchino.

9. Far cadere la pallina all’interno dell’insalatiera e accendere il generatore.
10. Osservare la pallina mentre accelera dentro l’insalatiera. Dopo l’esperimento, non dimenticate di scaricare il generatore di Van der Graaf.

Ricerca guasti

Se la pallina non accelera

• Verificare che il generatore sia acceso
• Muovere gentilmente l’insalatiera per far iniziare il moto
• Verificare che le strisce di collegamento e i cavi non si tocchino con quelli di messa a terra
• Provate a utilizzare una pallina più piccola.

Su quale principio funziona?

Il Generatore di Van der Graaf produce elettricità statica, fino a una tensione (oltre i 30 000 volt) cioè ciò che consideriamo alta tensione, sulla striscia di metallo che forma la croce. Ciò significa che queste striscie di metallo sono cariche (e portano sia  cariche positive che negative). Tuttavia, la corrente che realmente vi scorre è molto piccola, il che equivale a dire che la procedura è sicura. Le altre strisce sono collegate a terra e quindi non possiedono alcuna carica elettrica.

Nell’istante in cui la pallina entra in contatto con una delle strisce cariche, anche lei si carica. Siccome sia la pallina che la striscia hanno cariche dello stesso segno, si respingono: e la pallina scappa via. Se rotola fino ad una striscia che è collegata a terra, la pallina torna al suo stato neutro e perde la sua carica. La pallina accelera ogni volta che tocca una striscia carica e decelera nello spazio tra le strisce a causa dell’attrito con l’insalatiera.

Quanto questa procedura è simile (o differente) ad un acceleratore reale?

L’acceleratore costruito con una insalatiera rappresenta un modello semplificato e aiuta a spiegare un acceleratore di particelle reale, come LHC. Sebbene a tutt’oggi si utilizza  lo stesso principio dell’acceleratore originale di Van der Graaf, gli acceleratori moderni posseggono delle differenze fondamentali.

Particelle cariche e campi elettrici

Diversamente delle particelle in un acceleratore, la pallina nell’insalatiera non possiede carica elettrica – la sua carica cambia a seconda della striscia di alluminio che contatta per ultima. All’LHC del CERN, i protoni e gli ioni possiedono la loro carica, che però non cambia. Invece, camere di metallo appositamente progettate, disposte lungo tutta la circonferenza dell’acceleratore, oscillano tra una carica positiva e una negativa, producendo delle onde radio che inducono le particelle a formare dei grappoli.

In questa attività, la pallina rappresenta una delle particelle che gli scienziati vogliono accelerare sino a farla collidere con un’altra. Tuttavia il luogo in cui realmente queste particelle collidono di queste se ne contano miliardi e milioni di miliardi, tutte insieme formano un raggio. Per evitare collisioni con le molecole d’aria, il raggio viaggia nel vuoto all’interno di un tubo di metallo. E’ estremamente importante tenere sotto controllo in tempo reale le proprietà di questo raggio, ad esempio per proteggere la macchina, a questo scopo gli scienziati utilizzano una serie di tecniche di diagnostica che permettono di controllare  il raggio e  la traiettoria che assume ciascuna particella del raggio.

Forma e dimensione

Gli acceleratori di particelle possono essere del tipo lineare, mentre il raggio di particelle viaggia in linea retta da un estremo all’altro, o in moto circolare, quando il raggio viaggia intorno ad un anello. Il vantaggio di un acceleratore circolare, come l’LHC, è quello che ad ogni giro, le particelle acquistano accelerazione. Questo metodo permette di far acquisire alle particelle  una grande energia, anche se ne perdono un pò ad ogni giro, per l’effetto detto, della radiazione di sincrotrone. L’energia finale in un acceleratore circolare è limitata solo dalle sue dimensioni, l’intensità dei campi acceleratori e dalla forza dei magneti deflettori che hanno il compito di tenere il raggio lungo la traiettoria prestabilita. Una insalatiera di dimensioni medie si aggira sui 30-40 cm di larghezza, mentre l’LHC ha un diametro di 8.5  km. Le grandi dimensioni dell’LHC sono la ragione per cui si riesce ad accelerare le particelle fino a quasi la velocità della luce.

Nell’acceleratore insalatiera, la velocità della pallina è limitata dall’attrito e dalla velocità di trasferimento di carica tra la striscia e la pallina. Quando la pallina si muove lentamente, essa rimane sulle strisce per un tempo più lungo e ha più tempo a disposizione per caricarsi e scaricarsi. Quando la pallina si muove più velocemente, trascorre meno tempo sulle strisce e quindi può raggiungere una velocità finale costante.

I Magneti

I magneti sono essenziali per il controllo delle particelle che tendono a fuoriuscire dalla traiettoria  circolando all’interno sia di un acceleratore lineare che circolare. Per esempio, per mantenerle tutte insieme si usano  magneti a quadrupoli di ordine elevato controllando altresì la divergenza del fascio (il diametro del fascio aumenta con la distanza).

Negli acceleratori circolari, le particelle devono viaggiare su una traiettoria curva piuttosto che una lineare, si realizza utilizzando dei dipoli magnetici molto forti. Più è alta l’energia del fascio di  particelle, più grande dovrà essere la forza magnetica e quindi le dimensioni dei magneti. I magneti principali di LHC sono del tipo a superconduttori, cioè significa che funzionano con una energia elettrica che ha  una resistenza elettrica uguale a zero, devono funzionare a temperature molto basse di 1.9 Kelvin (-271 °C), utilizzando 70 000 litri di elio liquido pompati in un circuito di raffreddamento a ciclo chiuso attorno al acceleratore. L’acceleratore insalatiera funziona come un magnete, contenendo il movimento della pallina e forzandola a viaggiare in cerchio – fortunatamente tutto questo avviene a temperatura ambiente.

Sensori di Particelle

Accelerare le particelle fa parte solo della prima metà della storia. Gli acceleratori di particelle aumentano la velocità di particelle ad energie molto alte prima di essere indirizzate verso un bersaglio fisso (come un piccolo  foglio di metallo) o si fanno  collidere due fasci di particelle. Negli acceleratori come i LHC,  i due fasci di particelle viaggiano in direzioni opposte uno in senso orario e l’altro in senso antiorario, e si fa in modo che collidano testa a testa in un punto specifico dell’anello dell’acceleratore. Si utilizzano dei sensori posti attorno al punto bersaglio per prelevare tutte le informazioni sulle particelle che si generano a causa della collisione, come velocità, massa e carica. Da queste informazioni, gli scienziati possono scoprire se si sono prodotte nuovi tipi di particelle e osservare  le interazioni tra particelle. Questo è il metodo seguito dai ricercatori del CERN quando hanno scoperto il bosone di Higgs, una particella che si credeva fornisse la massa a tutte le altre particelle nell’Universo.  

Test per gli studenti

Perchè la pallina accelera in una particolare direzione?

Se la pallina accelera in senso orario o antiorario ciò è determinato dall’impulso iniziale fornito alla pallina. Se la pallina parte da ferma, si muoverà allontanandosi dalla striscia carica in una direzione o nell’altra in seguito all’esatta posizione della pallina, questo e difficile da prevedere. Dopo alcuni movimenti casuali, si instaura una direzione preferenziale lungo la quale la pallina accelera

Come si può realizzare una pallina che acceleri più velocemente?

Prendendo il cucchiaio di plastica spingendolo nella direzione opposto.

Come si può realizzare una pallina che acceleri più velocemente?

La velocità della pallina è limitata dall’attrito e dalla velocità del trasferimento di carica tra la striscia e la pallina. Avendo a disposizione un’insalatiera e una pallina con un attrito molto basso, essa potrebbe raggiungere la sua velocità limite più velocemente. La forma dell’insalatiera è importante perché la velocità limite finale è determinata dall’equilibrio tra gravità, la forza centrifuga e la forza normale alla superficie dell’insalatiera. La forza normale impedisce alla pallina di cadere all’interno dell’insalatiera di plastica, tale forza  perpendicolare alla superficie, dipende dalla forma circolare dell’insalatiera.

Cosa succederebbe se si usasse una pallina non rivestita? Perché?

Senza un rivestimento conduttore, la palla non potrebbe caricarsi ne scaricarsi, e quindi non accelererebbe.

Gli acceleratori di prossima generazione

Gli acceleratori di particelle sono macchine complesse e di una tecnologia molto sofisticata il cui sviluppo di solito richiede una collaborazione di competenze tra persone di differenti paesi, e che lavorano in campi differenti. Sono stati impiegati circa 30 anni e migliaia di scienziati, ingegneri e tecnici per progettare e costruire l’LHC.

Mentre al più grande acceleratore di particelle rimangono ancora diverse decadi di funzionamento, i ricercatori provenienti da varie istituzioni di tutto il mondo, stanno già riunendo le loro idee per progettare l’acceleratore di prossima generazione. Il sostituto dell’LHC entrerà in servizio nel 2040, così si può supporre che la gli scienziati che lo utilizzeranno, oggi sono ancora sui banchi di scuola. L’acceleratore insalatiera può dare loro uno stimolo per il futuro. 

Riconoscimenti

Questa attività è stata promossa dai fisici Todd Johnson (Fermilab) e Suzie Sheehy (Oxford University) che lavorano nel campo dell’accelerazione di particelle

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