Studio delle interazioni coerenti tra fasci di particelle cariche e cristalli per la deflessione di fasci e produzione di radiazione elettromagnetica ad alta intensità

Cyclotron_motion_wider_viewAutore del lavoro candidato: Andrea Mazzolari, Laura Bandiera, Enrico Bagli

SINTESI CONTENENTE UNA BREVE DESCRIZIONE DEL LAVORO SVOLTO E DEI RISULTATI OTTENUTI: Sotto opportune condizioni, un fascio di particelle cariche può essere intrappolato tra i piani atomici di un cristallo, dando origine al fenomeno del channeling (incanalamento) del fascio stesso tra i piani atomici del cristallo. Qualora il cristallo sia deformato in modo da impartire ad esso una curvatura, la traiettoria del fascio intrappolato è soggetta a deflessione: il fascio intrappolato segue la curvatura del cristallo stesso! Tale schema permette di realizzare sistemi innovativi di manipolazione delle traiettorie di fasci di particelle: la deflessione prodotta da un cristallo, nella sua estensione di 2 mm, è equivalente a quell a prodotta da un campo magnetico dipolare equivalente di intensità pari a 1000 Tesla! (La tecnologia attuale permette di raggiungere campi magnetici di “appena” 37.5 Tesla). Un’applicazione elettiva del fenomeno del channeling consiste nello sviluppo di un sistema di collimazione efficiente ed affidabile per collisori adronici di nuova generazione, in particolare per il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra. Si tratta di un acceleratore di particelle di tipo circolare che può accelerare protoni e ioni pesanti fino al 99,9999991% della velocità della luce (300.000 Km/secondo) e farli successivamente collidere, con un’energia record di ben 6.5 teraelettronvolt per fascio. In questa macchina, una lunga serie di magneti superconduttori, mantenuti alla temperatura di -270 gradi centrigradi, guida con estrema precisione le traiettorie dei fasci di particelle circolanti. Tuttavia, a causa di effetti spuri, una frazione di particelle inevitabilmente abbandona il fascio principale ed incide le pareti dei magneti che vanno a costituire per esse un freno. A causa di ciò, i magneti possono subire un surriscaldamento e perdere le proprietà sup er-conduttive e con esse la capacità di guidare i fasci di particelle. Tale evento risulterebbe in effetti catastrofici per LHC. Tale occorrenza è prevenibile tramite l’uso di un dedicato “sistema di collimazione”: il setup di collimazione attualmente in fase di sviluppo per LHC è strutturato in stadi successivi. Il primo stadio è fornito di “collimatori primari”: diversi blocchi massivi ed ingombranti di tungsteno che devono essere allineati con precisione sub-micrometrica rispetto al fascio, in modo da intercettare le particelle che starebbero per incidere i magneti. Grazie a questo accorgimento, i magneti vengono sì preservati, ma si genera anche uno spray di “frammenti”, derivanti dalla rottura dei nuclei atomici del tungsteno stesso: le particelle del fascio di LHC sono talmente tanto energetiche che agiscono nei confronti del collimatore come proiettili e ne provocano una lenta frantumazione. I frammenti prodotti si disperdono in tutte le direzioni, e se non opportunamente bloccati, si disperderebbero nell’anello di LHC inquinando il fascio circolante. Tale nefasta eventualità viene prevenuta da un stadio di “collimatori secondari”: una serie di blocchi in grafite viene posizionata in modo da intercettare lo spray di frammenti precedentemente prodotti. Il tentativo di bloccare tale spray genera però una secondo spray di particelle che si disperde in ogni direzione. E’ facile intuire che l’aggiunta di una terza serie di collimatori atti a pulire la sporcizia generata nelle prime due serie non sarebbe di grande utilità: genererebbe un terzo fascio di particelle diffuso in ogni direzione. La soluzione al problema della collimazione in LHC è di vitale importanza: senza una adeguata risposta l’acceleratore non potrà mai operare a piena potenza. Idealmente sarebbe preferibile un “collimatore intelligente”, che indirizzasse tutte le particelle in un’unica direzione, verso un blocco massivo posizionato a grande distanza dal fascio circolante. La soluzione a questo problema, tuttaltro che triviale, ha recentemente trovato nel fenomeno del channeling in cristalli di silicio curvi una soluzione molto efficace ed elegante. Nell’ambito dell’esperimento UA9 al CERN [http://home.cern/about/experiments/ua9] (successore degli esperimenti UA1 e UA2 che hanno portato al Premio Nobel per la Fisica di Carlo Rubbia), cristalli progettati e realizzati presso il “Laboratorio Sensori e Semiconduttori” dell’Università di Ferrara da questo team di ricerca durante il periodo 2012-2013 sono stati installati in LHC ad inizio 2014. Dopo più di un anno di attesa, nel mese di Ottobre 2015, sono impiegati con successo in un test pilota di collimazione del fascio circolante all’energia record di 6.5 Teraelettonvolt [http://www.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=777%3Adall-italia-i-cristalli-piegati-che-puliscono-i-fasci-di-lhc&catid=21%3Anews&Itemid=453&lang=it, http://cds.cern.ch/journal/CERNBulletin/2015/49/News%20Articles/2105080?ln=en]. Le performance di collimazione dell’acceleratore hanno mostrato chiari benefici dall’uso di cristalli in un ambiente così sofisitcato e complesso quale è quello di LHC, offrendo per la prima volta un valido schema di collimazione per il progetto HIgh LUminosity LHC, per il quale è previsto un aumento consistente di intensità del fascio di protoni/ioni della macchina. Una seconda parte del lavoro di ricerca candidato è stata dedicata allo studio di nuove possibilità nella manipolazione delle traiettorie di fasci di protoni mediante channeling in strutture cristalline. Da questo studio sono emerse diverse possibilità applicative per la deflessione/collimazione dei fasci stessi, sia per macchine tipo LHC che per macchine future quale il Future Circular Collider (FCC) [https://fcc.web.cern.ch/Pages/default.aspx] e l’International Linear Collider (ILC) [https://fcc.web.cern.ch/Pages/default.aspx]. Sono stati studiati nuovi materiali e si sono sviluppate tecnologie in grado di raggiungere efficienze di deflessione molto alte, prossime al 100%. Sono stati progettati e realizzati cristalli curvi adatti alla pulitura del fascio di protoni ultrarelativistici, come quelli presenti al Super Proton Synchrotron (SPS) e al (LHC) al CERN di Ginevra. La tecnologia di realizzazione di cristalli curvi adatti alla manipolazione di fasci di particelle di diverse energie è basata su rivisitazione di tecniche tipiche della microlavorazione del silicio, ed è stato condotto in larga parte all’interno del Laboratorio di Sensori e Semiconduttori dell’Università di Ferrara dai membri del presente team di ricerca. Parallelamente allo sviluppo di una tecnologia atta alla collimazione del fascio di LHC, i proponenti si sono dedicati all’uso di cristalli come innovative sorgenti di raggi X e gamma ad altissima intensità. Una ricerca motivata dal fatto che la stragrande maggioranza degli acceleratori sparsi nel mondo utilizza tale tipo di particelle, in particolare per produrre radiazione elettromagnetica per scopi applicativi che vanno dalla medicina nucleare e diagnostica, alla biologia, per finire alle scienze ingegneristiche. La radiazione X o gamma emessa da elettroni relativistici interagenti con un materiale cristallino è molto più intensa rispetto al caso in cui l’interazione si verificasse con lo stesso materiale nello stato amofo. Tale effetto è noto fin dagli anni ‘60 e viene utilizzato in diversi laboratori nel mondo (MAinzer MIkrotron in Germania e MaxLab in Svezia) per produrre radiazione X o gamma altamente monocromatica. L’oggetto della ricerca condotta è consi stitio nel progettare, realizzare e testare cristalli curvi come strumenti in grado di offrire nuove opportunità per la generazione di radiazione elettromagnetica ad alta intensità. In particolare, i cristalli realizzati dai proponenti hanno dimostrato, per la prima volta al mondo, la possibilità di deflettere fasci di particelle di carica negativa di bassa energia. Tale risultato, a lungo cercato da una vasta comunità internazionale e mai raggiunto prima, è stato possibile solo grazie alle tecniche progettuali e realizzative sviluppate dai proponenti. E’ stata inoltre effettuata una prima misura di radiazione elettromagnetica emessa da elettroni di energia di circa un gigaeletttronvolt in un cristallo di silicio curvo, che ha mostrato la possibilità di aumentare di diverse volte la radiazione di bremsstrahlung generando un picco nello spettro di emissione a 1.8 megaelettronvolt, che risulta essere di gran lunga superiore alle energie dei fotoni emessi da un qualunq ue sincrotrone o laser ad elettroni liberi esistente al mondo. Entusi asmati dal risultato ottenuto, gruppi di ricerca afferenti a diversi sinctroni sparsi nel mondo stanno mostrato interesse verso l’uso di cristalli di come innovative sorgenti di radiazione elettromagnetica. La realizzazione di nuove sorgenti per la produzione di radiazione x e gamma monoenergetici nell’intervallo 10 kiloelettronvolt -100 megaelettronvolt rappresenta un settore fondamentale per lo sviluppo di nuove macchine per scopi sociali e di ricerca. Particolare interesse riguarda la generazione di radiazione coerente in tale intervallo di energia. Allo stato attuale le sorgenti di raggi x coerenti si limitano all’impiego di laser ad elettroni liberi, i quali per ragioni tecnologiche sono limitati ad una massima energia dei fotoni prodotti dell’ordine del centinaio di elettronvolt. Le possibili applicazioni di una sorgente di raggi X generata tramite un un cristallo curvo o periodicamente curvo entro l’intervallo sperimentale di energie dei kiloelettronvolt – megaelettronvolt si estendono in molti settori di ricerca, comprese diverse indagini interdisciplinari. Ad esempio, tale sorgente potrebbe essere utilizzata sia per esperimenti di scienza fondamentale così come in app licazioni tecnologiche e mediche. Infatti, un fascio di fotoni estremamente collimato e con dimensione trasversale dell’ordine del micron potrebbe essere utilizzato nelle terapie antitumorali, migliorandone notevolmente la precisione, poiché permetterebbe di eseguire interventi estremamente delicati in prossimità dei centri vitali. Inoltre, i raggi gamma possono indurre reazioni nucleari di foto-trasmutazione. Sostituire la radiazione emessa da elettroni su un bersaglio amorfo (di solito oro) con quella emessa in un bersaglio cristallino, tipo cristallo curvo o ondulatore cristallino, ne aumenterebbe di molto l’intensità e quindi l’efficacia del processo di foto-trasmutazione. Inoltre sarebbe preferibile utilizzare fotoni la cui energia sia il più vicino possibile alle energie di transizione del nucleo irradiato. Questo apre la possibilità di ottenere una nuova tecnologia atta all’eliminazione delle scorie nucleari. La foto-trasmutazione può essere anche utilizzata per produrre isotopi medici. In sintesi, grazie alla disponibilità di cristalli di nuova generazione realizzati da membri del gruppo di ricerca, è stata dimostrata la possibilità di manipolare le traiettorie di fasci di particelle cariche, sia carichi positivamente che negativamente, attraverso interazioni coerenti con un cristallo, in un intervallo di energia che va dalla regione di qualche centinaia di megaelettronvolt fino alle energie del CERN di Ginevra (teraelettronvolt), dimostrando come i risultati ottenuti possano essere utilizzati a fini applicativi sia in ricerca pure (fisica degli acceleratori e delle particelle), che in ricerca applicata (sorgenti di radiazione X e gamma per scopi medici ed industriali).

 

Annunci