Un acceleratore di particelle presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo. Credito:IFUSP
L'uso di acceleratori di particelle non è limitato alla ricerca di base nella fisica delle alte energie. A questo scopo vengono utilizzati acceleratori su larga scala e strumenti giganteschi come il Large Hadron Collider (LHC), ma acceleratori relativamente piccoli sono usati in medicina (diagnostica per immagini, trattamento per il cancro), industria (sterilizzazione alimentare, scansione del carico, Ingegneria Elettronica), e vari tipi di indagini (prospezione petrolifera, rilievi archeologici, analisi di opere d'arte).
Qualunque sia l'uso, controllare il caos e aumentare l'efficienza del flusso di particelle sono gli obiettivi della comunità scientifica in questo campo.
Sulla rivista è stato recentemente pubblicato un articolo che descrive un nuovo contributo in questa direzione Fisica dei Plasmi di Meirielen Caetano de Sousa, uno studente post-dottorato con una borsa di studio della São Paulo Research Foundation—FAPESP che lavora presso l'Istituto di Fisica dell'Università di São Paulo (IF-USP) in Brasile, e il suo supervisore Iberê Luiz Caldas, Professore Ordinario presso IF-USP.
"Abbiamo eseguito uno studio teorico con modellazione e simulazione numerica per studiare i modi di controllare il caos all'interno degli acceleratori e aumentare la velocità massima delle particelle accelerate, " disse Sousa.
Gli autori hanno progettato un meccanismo basato sul dispiegamento di una barriera di trasporto per confinare le particelle e impedire loro di spostarsi da una regione all'altra dell'acceleratore. Questa procedura non è stata ancora implementata negli acceleratori ordinari ma è utilizzata nei tokamak (reattori toroidali sperimentali utilizzati nella ricerca sulla fusione nucleare), dove il plasma surriscaldato è impedito dal confinamento delle particelle di interagire con le pareti del dispositivo.
"Nei tokamak, la barriera di trasporto è ottenuta mediante elettrodi inseriti nel bordo del plasma per alterare il campo elettrico. Questo non è ancora stato fatto negli acceleratori, dove la soluzione usuale è aggiungere al sistema un'onda elettrostatica con parametri ben definiti, " ha detto il ricercatore.
"Quando l'onda interagisce con le particelle, controlla il caos nel sistema ma crea molteplici barriere che non sigillano la regione in modo così preciso. Questa è una soluzione meno robusta. Nel nostro studio, abbiamo modellato un sistema con una singola barriera lungo linee simili a ciò che accade nei tokamak."
Questa singola barriera robusta sarebbe prodotta da una perturbazione magnetica risonante. Nel rispondere al RMP, il plasma è confinato in una singola regione.
L'immagine confronta le traiettorie delle particelle senza (a sinistra) e con (a destra) la presenza della barriera di trasporto. L'asse verticale è proporzionale all'energia delle particelle nell'acceleratore. I puntini blu nella figura a sinistra rappresentano le possibili traiettorie delle particelle. L'energia aumenta e diminuisce in modo irregolare o caotico. Quando viene introdotta la barriera di trasporto, tutte le traiettorie diventano regolari (malva, linee rosse e verdi). Tutte le particelle nell'acceleratore possono avere un'energia simile, migliorare l'efficienza del fascio di particelle. Credito:Meirielen Caetano de Sousa e Iberê Luiz Caldas (IFUSP)
"Abbiamo creato il modello e l'abbiamo descritto matematicamente. Le simulazioni numeriche hanno dimostrato che funziona. Il passo successivo è portare la proposta a fisici sperimentali che possono testarla nella pratica, " disse Sousa.
Le particelle sono generate da un cannone elettronico a causa della differenza di potenziale tra anodo e catodo o applicando un impulso laser al plasma. Sono accelerati da successive iniezioni di energia da onde elettromagnetiche. L'interazione tra le onde e le particelle crea il caos. Una soluzione testata sperimentalmente negli acceleratori consiste nell'aggiungere un'altra onda con parametri regolati per compensare il processo caotico.
"Questo è stato discusso in un precedente articolo pubblicato nel 2012 in Revisione fisica E . Il metodo funziona, ma come notato, crea molteplici barriere di trasporto suscettibili di perturbazione, rendendo meno efficace il confinamento delle particelle. In questo ultimo studio, abbiamo modellato una soluzione basata su un'unica barriera robusta, che continua ad esistere anche in presenza di elevate perturbazioni, " disse Sousa.
Sostituzione dei radioisotopi
La barriera di trasporto controlla il caos, consentendo alla velocità massima delle particelle di aumentare e riducendo la velocità iniziale richiesta. Per un'onda di bassa ampiezza, la velocità finale simulata è aumentata del 7%, e la velocità iniziale è scesa del 73 percento.
Per un'onda di ampiezza maggiore, il sistema si è rivelato caotico senza la barriera ma è stato regolarizzato con la barriera. La velocità finale è aumentata del 3%, e la velocità iniziale è scesa di circa il 98 percento. Ciò mostra che il contributo principale della barriera di trasporto è una riduzione della velocità iniziale richiesta per le particelle quando vengono iniettate nell'acceleratore.
"Ciò che ci si aspetta da un acceleratore è che tutte le particelle arrivino insieme alla fine senza smarrirsi lungo il percorso, e con più o meno la stessa energia e velocità. Se si comportano in modo caotico, questo non succede, e il raggio non serve a nessuna applicazione, " ha detto Calda.
"L'emissione di particelle per uso medico o industriale si basa ancora principalmente sull'uso di materiali radioattivi. Ciò causa una serie di problemi, come l'inquinamento, decadimento del materiale emettitore che richiede il rifornimento, e costo elevato. Gli acceleratori evitano questi problemi e sono un sostituto parziale dei radioisotopi. Da qui il forte interesse per l'ottimizzazione del funzionamento dell'acceleratore, ", ha affermato il supervisore della sovvenzione FAPESP.
