I rivelatori di particelle per la fisica delle alte energie: introduzione

La fisica delle alte energie ha lo scopo di investigare le leggi della Natura, ma per farlo spesso necessita di tecnologie all'avanguardia, o ancora da sviluppare, diventando così il banco di prova per numerosi oggetti che col tempo entrano a far parte della nostra vita quotidiana. La PET (Positron Emission Terapy), il WWW (World Wide Web), o i tubi a raggi catodici sono solo alcuni esempi di come la ricerca di base possa condizionare il nostro modo di vivere. In questa serie di articoli vorrei provare a raccontare come si fa la fisica in maniera pratica, ovvero come funzionano i rivelatori che vengono utilizzati oggi nei grandi esperimenti al Cern di Ginevra, a Fermilab (Chicago) ed in tutti gli altri laboratori nel mondo. Tuttavia è doveroso iniziare con un'introduzione per prendere dimestichezza con alcuni termini degli "addetti ai lavori".

Ciascuno di noi in questo momento sta usando il suo rivelatore di particelle, proprio sopra il suo naso. 
Si tratta dell’occhio umano, capace di rivelare un determinato tipo di particelle - i fotoni (o quanti di luce), quelli che generalmente chiamiamo onde elettromagnetiche. Il nostro occhio non può vedere tutte le frequenze esistenti in Natura, ma solo uno spettro di lunghezza d’onda che va da circa 390 a 760 nanometri.

Se potessimo rivelare anche altre lunghezze d’onda potremmo vedere colorate (e chissà con quali colori!) anche le onde emesse dal nostro Wi-Fi, dal microonde o dal nostro gatto.
 Tuttavia ai fisici delle particelle non piace tanto parlare di nanometri, ma piuttosto di energia, dal momento che, come il buon vecchio Einstein insegna, l’energia è legata alla materia dall’equazione: E = mc^2.

L'energia

L’energia, come il professore liceale ci insegnò, si misura in Joule. Ma la fisica oggi si occupa di un mondo fatto di oggetti terribilmente piccoli, alcuni di essi addirittura puntiformi. Il sistema internazionale di misura invece è nato a fine ‘800, ed è tarato per misure ingegneristiche, lunghe metri, pesanti chili, con decine o centinaia di Joule di energia.
Ottime unità per oggetti macroscopici, ma poco maneggevoli in un mondo subatomico.
Per questo, in ogni articolo o libro di Fisica che sia, l’unità di misura che si trova è l’elettronvolt (eV), che indica l’energia che acquista un elettrone se immerso in un potenziale di 1 Volt.
L’occhio rivela solo i fotoni che hanno energia di qualche elettronvolt: per esempio un fotone “rosso” (700 nm) è una particella che ha energia pari a:

E(eV) =1240/λ(nm) = 1.77 eV

che corrisponde a

E(Joule) = h*f = h * c / λ = 6.626 * 10^(-34) J*s * 3 * 10^8 m/s * 1/[700*10^(-9) m] = 2.84 * 10^(-19) Joule

dove h è la costante di Planck, c la velocità della luce nel vuoto, f la frequenza della particella e λ la sua lunghezza d’onda.

Se prendiamo un panetto di burro di 1 hg e lo solleviamo di un metro, questo avrà l’energia potenziale di 1 Joule. 
Un 1 hg di burro ad 1 metro di altezza ha quindi 10000000000000000000 volte più energia di un fotone di colore rosso. Questo non vuol dire che si possa mettere la mano sul fuoco.
Ma non ci sono solo i fotoni. 
Il nostro Universo (almeno per quello che si sa oggi) è formato da solo 4 particelle stabili (cum caveat):

  • l’elettrone: considerato puntiforme, senza alcuna estensione e con una massa di 500 keV (come detto, le masse sono energia per un fisico, quindi dal momento che la massa di un elettrone è 9*10^(-31) kg, dovete moltiplicarlo la velocità della luce al quadrato, dividerlo per la carica elettrica ed otterrete la sua energia a riposo in eV). Ha inoltre una carica elettrica negativa (-1.60*10^(-19) Coulomb).
  • il protone: più "robusto", con massa di circa un MeV, fa compagnia al neutrone dentro al nucleo ed ha carica positiva.
  • il fotone: già nostro amico, ha massa nulla ed è il mediatore della forza elettrica.
  • il neutrone: fratello del protone, ma senza carica.

E così tutto l’universo sta in piedi. O quasi.

Fenomenologia

Le cose infatti non sono così semplici. Ad esempio può succedere che il neutrone si trasformi in un protone. Facendo questo emette un elettrone per conservare la carica elettrica. La stessa cosa può avvenire per un protone.

Può succedere che, dentro un atomo, il protone si trasformi in un neutrone emettendo questa volta un positrone, l’antiparticella dell’elettrone, uguale ma di carica opposta. Questo sarebbe sufficiente a bilanciare la differenza di carica elettrica prima e dopo la reazione, ma, non pago, il neutrone (o il protone) nella reazione emette anche un neutrino (o un antineutrino), una particella leggerissima, senza carica e terribilmente timida.

È una fenomenologia molto complessa e rilevarla e capirne tutti gli aspetti è lo scopo di molti esperimenti progettati in questi anni (anche in Italia, al Gran Sasso, ma senza alcun tunnel). Il decadimento qui descritto viene chiamato Decadimento Beta, ed è tipico degli atomi pesanti, quali l’Uranio, il Torio, il Cobalto 60.
Inoltre dal cielo ogni secondo cadono circa 100 particelle per metro quadro: muoni, kaoni, pioni.

Se poi facciamo collidere due protoni, o peggio due ioni (di oro o di piombo) come avviene ai grandi acceleratori, al CERN o al Tevatron vicino a Chicago, si manifesta una serie di particelle J/Psi, B, D, eta, Omega, tau e altre ancora.
Sono tante ma le si può riordinare facendo uso dei quark, unità ancora più fondamentali.

In questo modo si può dire che alcune di esse sono formate da 3 quark (come anche il protone ed il neutrone) e sono chiamate barioni (perché sono le più pesanti) altre invece sono formate solo da un quark ed un antiquark (come ad esempio i kaoni e i pioni) e sono dette mesoni. Elettroni, muoni, tau e neutrini sono invece puntiformi, cioè non contengono quark al loro interno e sono dette leptoni.

Infine ci sono i bosoni che trasmettono le forze: il fotone è uno di essi, ed è il mediatore della forza elettromagnetica.

Poi esistono i bosoni W e Z per la forza debole associata alla radioattività, i gluoni, che tengono insieme i quark dentro le particelle, ed il nuovissimo Higgs, che genera la massa di tutti questi oggetti. Nuovissimo perché individuato per la prima volta nel 2012, ma la teoria venne sviluppata negli anni 60 del secolo scorso.

Potete pensarla come una "fauna", una vera e propria giungla di animali feroci, se volete, il cui comportamento è stato selvaggio e che pian piano nel corso degli anni sono stati ammaestrati perchè se ne sono capite le varie caratteristiche, carica, massa, spin.

Mettere ordine

Come si può costruire quindi un modello che permetta di prevedere tutte queste reazioni? Come hanno fatto i fisici a scovare tutte queste particelle?

In generale, lo scopo di una teoria dovrebbe essere quello di estrarre un numero da validare o confutare tramite l’esperimento. Ad esempio: come il neutrone si trasforma in un protone più un elettrone più un neutrino (il decadimento beta di poco fa), può avvenire che una particella K decada in un pione più un neutrino più un antineutrino. Scopo del teorico è calcolare la probabilità che ciò accada. Scopo dello sperimentale è misurare quello che effettivamente succede in Natura e confrontarlo col risultato che teorico ha predetto.

Ma come si rivela una particella?
I primi esperimenti in questo campo risalgono agli inizi del XX secolo e cercavano di riprodurre in un certo verso quello che compie l’occhio umano: particelle prodotte da acceleratori colpiscono la materia subatomica (come un fotone colpisce una mela, ad esempio) e successivamente rimbalzano su di un rivelatore (un’emulsione fotografica, ad esempio). Da come rimbalzano le particelle si può capire molte cose sulla struttura della materia.
Ecco che Rutherford intuì, dalla distribuzione angolare dei prodotti della collisione tra particelle alfa e una lamina d’oro posta come bersaglio, che l’atomo era composto da un nucleo con all’interno protoni e neutroni, e non si trattava invece di quel grande panettone come pensava Thomson. Poi si scoprì che le stesse particelle alfa, prodotte dalle sostanze radioattive, non sono altro che nuclei di elio.

Oggi non si usano più le emulsioni fotografiche. Tuttavia la prima cosa che si vuole fare è ancora vedere dove sono passate le particelle. Ci sono rivelatori che permettono di scovarne le tracce, e sono i cosiddetti “tracciatori”. L’idea di base è molto semplice: si mettono più strati di tracciatori, la particella lascia un puntino in ognuno di essi, e alla fine si uniscono i puntini: se si scopre che le tracce hanno un vertice in comune, significa che coloro che le hanno prodotte sono particelle figlie di un’unica madre.
Il secondo macro-insieme di rivelatori è costituito da quelli che si chiamano “Calorimetri”. I calorimetri assorbono completamente le particelle, le quali lasciano una scia all’interno di essi, proporzionale alla loro energia, che può essere così misurata. Si può quindi risalire alla massa delle particelle prodotte nelle varie reazioni (collisioni, decadimenti…).

Conclusioni

Questa era solo un’introduzione, necessaria ad aprire una strada irta e ardimentosa, che originariamente venne percorsa per rivelare raggi cosmici e studiare reazioni subnucleari e che tuttavia oggi ha trovato un impiego nella medicina, nella biologia, nell’ingegneria civile, nell’archeologia e in molti altri settori della nostra vita quotidiana.

Nelle prossime puntante vedremo come funzionano i rivelatori (che spesso chiamerò anche detector), e ci occuperemo anche dell’elettronica di cui necessitano, di come vengano elaborati i segnali e salvati i dati che verranno poi analizzati in un secondo tempo.

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4 Commenti

  1. Gius_Res 4 Novembre 2014
  2. Dario.Soldi 4 Novembre 2014
  3. dantave 26 Gennaio 2015
  4. Maurizio 9 Dicembre 2015

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