Realizzato un acceleratore di particelle su microchip
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La ricerca sulla struttura della materia continua a progredire. Un gruppo di ricercatori ha sviluppato un micro-acceleratore di particelle che ha stabilito un nuovo record di energia.
Cos’è un acceleratore di particelle?
Un acceleratore di particelle è un sofisticato dispositivo o impianto che sfrutta campi elettrici e/o magnetici per accelerare particelle subatomiche, come protoni o elettroni, a velocità estremamente elevate. L’obiettivo primario di un acceleratore di particelle è investigare la struttura fondamentale della materia e analizzare le interazioni tra le particelle.
Esistono diversi tipi di acceleratori di particelle, e possono essere generalmente classificati in due categorie principali:
- Acceleratori lineari (Linac): Questi acceleratori spingono le particelle lungo una linea retta. Le particelle vengono accelerate gradualmente attraverso una successione di tubi o celle, ciascuno applicando un campo elettrico o magnetico per aumentarne la velocità. Gli acceleratori lineari sono spesso impiegati come fase iniziale in un processo di accelerazione più complesso.
- Acceleratori circolari (Synchrotron): Questi acceleratori accelerano le particelle lungo un percorso circolare, sfruttando campi magnetici per mantenere le particelle su una traiettoria curva. Le particelle vengono accelerate ad ogni passaggio attraverso il campo magnetico, aumentando progressivamente la loro velocità ad ogni giro.
Gli acceleratori di particelle rappresentano strumenti essenziali nella ricerca scientifica nel campo della fisica delle particelle. Sono utilizzati per condurre esperimenti che consentono di individuare nuove particelle, analizzare le caratteristiche di quelle già conosciute e verificare le teorie fondamentali della fisica. Inoltre, gli acceleratori di particelle trovano applicazioni pratiche in medicina, come ad esempio nella terapia del cancro, e in varie altre discipline scientifiche.
Lo studio dell’acceleratore di particelle su microchip
Un team di ricercatori di Erlangen, in Germania, ha sviluppato un micro-acceleratore di particelle che genera un elevato incremento di energia e produce un fascio altamente focalizzato. La ricerca, pubblicata su Nature, rappresenta il culmine di un lungo impegno con diverse squadre di ricerca a livello globale, che hanno lavorato su questo progetto per molti anni. Attualmente, due gruppi sono in una serrata competizione: uno presso la Stanford University negli Stati Uniti e l’altro presso la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) in Germania. Entrambi hanno presentato i primi prototipi di questo mini-acceleratore nel 2013.
Nel 2020, il gruppo di Stanford ha fatto un significativo passo avanti dimostrando che gli elettroni possono essere accelerati con successo utilizzando impulsi laser ultrabrevi su un chip di silicio, anche se solo a poche centinaia di elettronvolt. Tuttavia, il team della FAU ha recentemente superato questo traguardo. Il loro nuovo acceleratore di particelle su microchip è in grado di aumentare l’energia degli elettroni del 43%, su una lunghezza di soli 500 micrometri, portandola a diverse migliaia di elettronvolt.
L’uso di luce laser genera una “modalità ottica” che accelera gli elettroni all’interno di una struttura di colonne di silicio dalle dimensioni micrometriche. Queste colonne di silicio sono organizzate in gruppi noti come macrocelle. Le distanze tra le macrocelle singole, che sono connesse in serie, sono progettate per indurre improvvisi cambiamenti periodici nella fase della luce. Questi cambiamenti di fase producono due effetti: inizialmente concentrano il fascio di elettroni in una direzione perpendicolare al loro movimento, restringendolo, e poi lo focalizzano in una direzione parallela al loro moto.
Sviluppo futuri
Per ottenere correnti di elettroni ancora più elevate e a energie superiori all’uscita dalla struttura, il prossimo passo potrebbe essere l’espansione delle strutture o la disposizione di diversi canali in prossimità gli uni degli altri. Un altro metodo per aumentare la corrente potrebbe coinvolgere l’impiego di un secondo laser per creare un modello di interferenza tra i due fasci laser.