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Costruisci il tuo acceleratore virtuale Teach article
Costruisci il tuo acceleratore virtuale di particelle usando l’app acceleratAR per comprendere praticamente e in maniera immersiva come lavorano queste macchine.
Introduzione
Nella famosissima saga Guerre Stellari, i droni furono introdotti al pubblico quando R2-D2 e C-3PO atterrarono su Tatooine per portare un importante messaggio a Obi-Wan Kenobi. La loro peculiare personalità ha determinato la loro popolarità sin da subito – e a loro si è aggiunto BB-8 nei recenti sequel.
Noi non possiamo raggiungere il livello di sofisticazione di R2-D2 e BB-8, ma possiamo usare il machine learning per migliorare il controllo degli acceleratori di particelle, l’intelligenza artificiale per l’analisi dei dati delle collisioni di particelle ad alta energia, e la realtà aumentata per comprendere dei concetti molto complessi di ingegneria e fisica.
The Cockcroft Institute
Gli acceleratori di particelle sono strumenti unici per le indagini scientifiche; essi hanno anche ricadute in molte altre aree come il trattamento del cancro, la produzione di energia o gli scanner usati nei sistemi di sicurezza aeroportuali.
Questi sono composti da molte parti essenziali: la sorgente di particelle, un elemento che le accelera e molti tipi di magneti che controllano la direzione e lo spessore del fascio di particelle.
Per capire come lavorano queste macchine, è possibile costruire un acceleratore virtuale con l’app acceleratAR. Grazie a questa app potrai comprendere in maniera pratica e coinvolgente come funzionano gli acceleratori di particelle. Queste attività sono consigliate per ragazzi dai 16 ai 19 anni per comprendere il funzionamento dei magneti e degli acceleratori. Le attività possono essere completate in una lezione, ma possono anche essere divise anche in due differenti momenti. Ciò che serve è uno smartphone o un tablet e quattro tipi di cubi di carta.
Attività 1 – Costruisci i componenti dell’acceleratore
La parte più difficile è stampare e tagliare le forme. Questo può essere fatto prima della lezione, in maniera da usare il tempo della lezione solo per assemblare i cubi e avere più tempo per gli esperimenti.
Materiali
- Stampe dei cubi dai sito http://acceleratar.uk/
- Forbici
- Nastro adesivo o colla
- Carta
- Cartoncino (opzionale)
- Stampante
- Pezzo di cartone rigido (tipo bigliettino da visita) per piegare meglio le stampe
- Smartphone o tablet
- Superficie piana dove costruire l’acceleratore
Procedimento
- Vai al sito http://acceleratar.uk/, scegli la pagina ‘Cubes’, scarica e stampa le sagome dei cubi. Sarebbe meglio stampare su cartoncino o incollare la stampa su cartoncino, in maniera da avere dei cubi stabili e che non si rovinano con gli esperimenti.
- Taglia lungo le line esterne del cubo.
- Usa un pezzo rigido di cartone per aiutarti a piegare le facce del cubo
- Usa del nastro adesivo o della colla agli angoli (come indicato in rosa) e inizia a dar forma al cubo.
- Incolla o usa del nastro per unire l’ultimo angolo (come indicato in verde) per chiudere il cubo e assicurarne la forma con del nastro aggiuntivo.
- Usa lo stesso procedimento per gli altri tre cubi.
- Adesso hai i 4 componenti fondamentali di un acceleratore. Scopri le loro funzioni con le informazioni fornite (puoi stampare la pagina dal materiale di supporto).
Cosa fa ciascun componente dell’acceleratore?
La sorgente di particelle genera le particelle, come ad esempio i protoni, da accelerare. Poiché queste particelle sono cariche, esse rispondono ai campi elettrici e magnetici.
La cavità a radiofrequenze (RF) è una camera che contiene un campo elettromagnetico variabile nel tempo. Quando le particelle attraversano la camera, esse ricevono un impulso che le accelera.
I dipoli magnetici sono magneti in cui i poli nord e sud si trovano verso parti opposte. Negli acceleratori di particelle, i dipoli sono usati per deviare il percorso di un fascio di particelle cariche. Questi sono particolarmente utili quando bisogna far girare il fascio in un cerchio, come ad esempio nel Large Hadron Collider (LHC).
I quadrupoli magnetici consistono di quattro magneti disposti in maniera incrociata. Questi magneti generano un campo magnetico che avvicina le particelle tra di loro, mettendo a fuoco il fascio a intervalli regolari
Attività 2 – Assemblare l’acceleratore virtuale di particelle
Adesso che avete le parti dell’acceleratore di particelle e conoscete cosa fa ciascuna di esse, siete pronti a costruire il vostro acceleratore!
Materiali
- Cubi dall’ Attività 1
- Smartphone or tablet
- App acceleratAR
- Superficie piana su cui posizionare l’acceleratore
Procedimento
- Installare l’app gratuita acceleratAR disponibile su Google Play (al momento non si trova nell’App Store) sul vostro smartphone o tablet.
- Sistemare i cubi sulla superficie piana e aprire l’app.
- Selezionare “Sandbox” dal menù (opzione gialla)
- Puntare la fotocamera del dispositivo verso la sorgente di particelle: osservate il fascio di particelle che appare dalla cima del cubo. Potete girare il cubo per cambiare la direzione del movimento delle particelle.
Esplorate le potenzialitá
Durante il lavoro, gli studenti giocano con i cubi e capiscono spontaneamente l’effetto sul fascio di luce dovuto allo spostamento dei cubi; è il momento di fare domande strutturate e spiegazioni.
Aggiungi la cavità RF di fronte al fascio
Cosa vedete?
Dovreste vedere un cambio di colore dopo che le particelle passano per la cavità RF. Questo significa che le particelle sono accelerate.
Cosa sta accadendo?
Ogni volta che il fascio di particelle passa attraverso la cavità RF, incontra un campo elettrico che gli trasferisce energia. Più energetiche sono le particelle, maggiore sarà la loro velocità. L’LHC ha 16 cavità RF che portano l’energia delle particelle ad oltre 14 volte la loro energia iniziale.
Quindi aggiungete un dipolo magnetico
Cosa vedete?
Dovreste vedere che la direzione del fascio sta cambiando. I dipoli magnetici sono i timoni del fascio di particelle. Negli acceleratori di particelle sono utilizzati molti dipoli magnetici per regolare la traiettoria che le particelle seguiranno.
Come funzionano?
I dipoli sono magneti con due poli (nord e sud) usati per generare un campo magnetico costante che scorre dal nord al sud. Una particella carica all’interno del campo magnetico sarà deviata su un percorso curvo a causa della forza impressa dal campo magnetico, e questa forza sarà perpendicolare sia al campo magnetico che alla velocità della particella.
La regola della mano destra può aiutare a visualizzare la direzione su cui agisce la forza sulla particella carica.
La regola della mano destra
Nell’immagine, V corrisponde alla direzione del movimento della particella e B la direzione del campo magnetico. La forza che la particella subirà nel campo magnetico sarà in direzione di F.
Cerca di capire la direzione del campo magnetico nel dipolo virtuale. Usa la regola della mano destra, la direzione del movimento delle particelle e la direzione in cui queste vengono spinte.
Adesso aggiungi un quadrupolo magnetico
Cosa puoi osservare?
Dovresti vedere che il fascio di particelle diventa più focalizzato.
Perché dobbiamo focalizzare il fascio di particelle?
Ricorda che i protoni sono particelle cariche e in quanto tali respingono gli altri protoni. Questo significa che il fascio di protoni si allargherà e potrebbe uscire dalla camera a vuoto, a meno che una forza esterna sia applicata per ridurne la diffusione. Questo lo si ottiene facendo passare il fascio attraverso un quadrupolo magnetico.
La direzione del campo del quadrupolo magnetico è indicato dalle frecce nere.
Le frecce rosse rappresentano la direzione della forza su una carica positiva.
Le cariche positive sulla destra passeranno il primo quadrupolo, che ne restringerà la dispersione orizzontale e ne limiterà la larghezza. Un secondo magnete, con i poli ruotati, limiterà la dispersione delle particelle in altezza.
Un quadrupolo focalizza sempre in uno dei piani e defocalizza nel piano perpendicolare. Una combinazione di molti quadrupoli permette di avere un effetto complessivo di focalizzazione sul fascio di particelle cariche.
Resources
- Trova l’ispirazione coinvolgendo gli studenti utilizzando Star Wars: Welsch CP (2021) The physics of Star Wars: introducing accelerator science. Science in School 54.
- Crea un acceleratore di particelle in una insalatiera: Torres R (2017) A particle accelerator in your salad bowl. Science in School 41: 49–55.
- Build a particle accelerator in your classroom: Brown A, Merkert J, Wilson R (2014) Build your own particle accelerator. Science in School 30: 21–26.
- Leggi le esperienze di un insegnante al CERN: Watt S (2012) Nuclear options: a teacher at CERN. Science in School 23: 57–60.
- Costruisci una camera a nebbia con i tuoi studenti: Barradas-Solas F, Alameda-Meléndez P (2010) Bringing particle physics to life: build your own cloud chamber. Science in School 14: 36–40.
- Guarda un video sugli acceleratori di particelle usati negli ospedali.
- Osserva l’interno di LHC.
Author(s)
Il professor Welsch è direttore del Dipartimento di Fisica all’Università di Liverpool e fondatore del gruppo QUASAR. La sua ricerca si concentra sullo sviluppo di acceleratori di particelle e di sorgenti di luce e dispositivi per il controllo delle proprietà dei fasci di particelle cariche.
La sua ricca carriera comprende molti anni al CERN e ruoli di responsabilità in innovativi progetti internazionali sulla diagnostica con i raggi. E’ anche un grande appassionato di Star Wars.
Review
L’uso della Realtà Aumentata e della Realtà Virtuale è un nuovo modo di condurre gli esperimenti di fisica più costosi in aula.
Queste nuove tecnologie aiutano insegnanti e studenti a costruire il proprio acceleratore di particelle anche modificando numerosi parametri. Questo esperimento interattivo mostra le nuove possibilità che la tecnologia porta in aula.
Johannes Almer, insegnante di matematica e fisica, Ludwig-Thoma-Gymnasium, Germania