In quanto elementi costitutivi fondamentali della materia, i protoni fanno parte di tutte le cose che ci circondano. Presso l'Istituto Paul Scherrer PSI, però, escono dal loro ruolo abituale e vengono impiegati per generare altre particelle, vale a dire neutroni e muoni, che vengono successivamente utilizzati per lo studio dei materiali. Con questo scopo, i protoni devono prima essere accelerati. Un ruolo importante in questo è svolto da un impianto di accelerazione a tre stadi, al centro del quale si trova l'acceleratore detto Iniettore 2.

Tre acceleratori disposti in serie costituiscono l'impianto per l'accelerazione dei protoni al PSI:si inizia con quello a forma di fungo, acceleratore Cockcroft-Walton alto circa 10 metri, in cui i protoni vengono generati e pre-accelerati. Finisce con il grande acceleratore di protoni, un acceleratore ad anello, che in gergo tecnico si chiama ciclotrone. Qui i protoni vengono accelerati all'80% della velocità della luce. Tra gli stand Iniettore 2, un acceleratore ad anello più piccolo, ugualmente classificato come un ciclotrone. Il suo compito come pre-acceleratore è fornire protoni al grande ciclotrone con il 38% della velocità della luce. Come gli ingranaggi di un'automobile, gli acceleratori si costruiscono l'uno sull'altro consecutivamente. Pensa a Cockcroft-Walton come alla prima marcia:i protoni ottengono un'accelerazione iniziale lungo un tratto rettilineo. Iniettore 2, seconda marcia:la velocità dei protoni aumenta mentre circolano attorno all'anello. Il grande acceleratore, terza marcia:di nuovo in tondo, i protoni vengono portati alla velocità finale desiderata. Come nel guidare una macchina, non puoi fare a meno della prima e della seconda marcia.

Dopo che i protoni sono stati generati, sono guidati attraverso un vuoto all'interno del Cockcroft-Walton in modo che non vadano a sbattere contro le molecole d'aria. Qui vuoto non significa semplicemente una camera evacuata, visto che rimane sempre un po' d'aria. Un vuoto può avere una qualità variabile:migliore è il vuoto, meno gas contiene. Il vuoto che circonda i protoni non è esattamente della stessa qualità ovunque mentre si fanno strada attraverso le tre strutture. Il vuoto mantenuto nell'iniettore 2, Per esempio, corrisponde a un miliardesimo della pressione atmosferica; in altre parole, sono presenti solo tracce estremamente piccole di gas.

Ciascuno dei tre acceleratori è ospitato nella propria sala. A prima vista, L'iniettore 2 appare nei suoi 12 metri di altezza, stanza quasi quadrata, sotto forma di magneti turchesi alternati, quattro in tutto, e quattro risonatori color argento – tutti più o meno alti quanto un uomo – che sono allineati radialmente. Da sopra, questa disposizione di magneti e risonatori sembra una torta già tagliata in porzioni, con le punte delle fette tagliate.

I risonatori producono un campo elettrico alternato per cui i protoni sono sempre più accelerati. E i magneti assicurano che i protoni circolino 80 volte intorno al centro dell'iniettore. Il campo magnetico varia dal centro verso l'esterno in modo tale che i protoni, che iniziano la loro circolazione all'interno, serve sempre lo stesso tempo per completare un giro, anche se il percorso che intraprendono è sempre più lungo.

Nell'acceleratore, nessun protone va da solo

I protoni non sono solitari nell'acceleratore. Viaggiano in piccoli gruppi o in fasci. Poiché i protoni hanno una carica elettrica positiva, si respingono e, lungo la loro traiettoria, allontanarsi l'uno dall'altro all'interno di questo gruppo fino a quando non si verifica un effetto importante:con il tempo, secondo Joachim Grillenberger, responsabile del funzionamento della struttura protonica, il raggio si focalizza da solo. Ciò significa che dopo dieci o venti giri intorno al ring, i gruppi protonici si raccolgono insieme e assumono una forma simile a una palla, che poi conservano.

Per regolare il raggio di protoni nell'iniettore 2, vengono utilizzati collimatori. Questi componenti sono realizzati principalmente in rame, avere un'apertura, e sono posizionati in punti adatti lungo il percorso a spirale dei protoni. Solo i protoni che si muovono sulla traiettoria ideale passano attraverso l'apertura dei collimatori, e tutti gli altri protoni sono assorbiti dal rame.

I tre percorsi dei protoni

Dopo essere stato accelerato nell'iniettore 2, tre percorsi sono aperti al fascio di protoni. La porzione più grande del fascio di protoni è guidata in avanti verso un'ulteriore accelerazione nel grande ciclotrone. I protoni accelerati colpiscono prima un dispositivo bersaglio costituito da dischi di carbonio rotanti, generazione di pioni e muoni nel processo. Poi continuano per la loro strada, infine si scontra con un blocco di metallo per produrre neutroni. Mentre i pioni, muoni, e i neutroni sono essi stessi centrali per la ricerca, essi anche, d'altra parte, aiutare i ricercatori a ottenere informazioni sulla composizione dei materiali. Una parte molto piccola della corrente del fascio, circa il due per cento, possono essere inviati lungo un secondo percorso subito dopo l'iniettore 2. Questi protoni producono quindi radionuclidi che vengono applicati nello sviluppo di prodotti farmaceutici. Tali medicinali sono utilizzati nella diagnostica del cancro. Il terzo percorso porta a un vicolo cieco in cui i protoni vengono semplicemente assorbiti. I protoni vengono sempre incanalati in questo modo se mancano delle proprietà appropriate per gli altri due percorsi:I protoni sono, in tal caso, o troppo lento o troppo veloce.

Guardando indietro

Quando l'impianto protonico iniziò a funzionare nel 1974, lo scopo principale era usare i protoni per generare pioni. Si pensava che i pioni avrebbero aiutato ad affrontare le domande allora attuali nella fisica delle particelle. Da quel tempo, la struttura è stata adattata più e più volte per soddisfare le esigenze della scienza. All'inizio, l'impianto ha prodotto una corrente di fascio di 100 microampere, straordinariamente alto per le condizioni del momento. Joachim Grillenberger:Oggi, circa 40 anni dopo, può essere generata una corrente del fascio 24 volte superiore. Naturalmente, questo è possibile solo perché la struttura è stata sempre migliorata e ulteriormente sviluppata. Il costante miglioramento ha prodotto un record mondiale per l'impianto protonico che detiene dal 1994:fornisce il fascio di protoni più potente al mondo.

Per rimanere all'avanguardia nella tecnologia degli acceleratori, non puoi riposare sugli allori. L'iniettore 2 è un anello della catena dell'impianto dell'acceleratore di protoni a tre stadi. Anch'essa deve essere sempre aggiornata tecnologicamente per continuare a soddisfare le elevate esigenze di prestazioni e affidabilità operativa, dice Joachim Grillenberger. Attualmente, insieme ai colleghi, sta conducendo un progetto che renderà l'Injector 2 ancora più capace:nel 2018 e nel 2019, saranno installati nuovi risonatori, e l'intera catena di amplificazione sarà modernizzata. Di conseguenza, le particelle saranno accelerate in un arco di tempo ancora più breve e meno protoni andranno persi nel processo di accelerazione, aumentando le prestazioni dell'intera struttura. Così gli esperti di acceleratori stanno contribuendo anche alla modernizzazione della sorgente di neutroni a spallazione SINQ, che si basa sui protoni dell'impianto dell'acceleratore per generare i suoi neutroni.