Come vengono scoperte le particelle?

Dal punto di vista teorico, le ipotesi, le teorie, le formule, le dimostrazioni consentono di ipotizzare l’esistenza di particelle.

Dal punto di vista pratico è necessario un lungo studio di ricerca, di sperimentazioni, di applicazioni, di molta pratica, di molta pazienza. Alcuni scienziati aspettano decenni prima di vedere verificata sperimentalmente una ipotesi, altri…

… le particelle? Cosa sono?

La particella è una parte di qualche cosa, che compone un elemento più grande; essa “dovrebbe” essere indivisibile.

… le particelle? Cosa sono?Le particelle elementari che compongono l’universo si possono distinguere in:

-particelle-materia, di tipo fermionico (elettroni, neutrini e quark, tutti dotati di massa);

- particelle-forza, di tipo bosonico, portatrici delle forze fondamentali esistenti in natura (fotoni e gluoni, privi di

massa, e i bosoni W e Z dotati di massa).

… le particelle? Cosa sono?

Il “modello standard” contempla diverse altre particelle-materia instabili che esistono in determinate condizioni per un tempo variabile, ma comunque brevissimo, prima di decadere in altre particelle.

E poi c’è il bosone di Higgs …

Relativamente al termine "particella", va notato che la meccanica quantistica ha superato la rigida distinzione tra particelle e onde che aveva caratterizzato la fisica del XIX secolo. Infatti, nel XX secolo, a partire da Planck e Einstein, è stato dimostrato che le onde presentano aspetti corpuscolari mentre la materia presenta aspetti ondulatori, tra loro indissolubilmente legati.

Le prime prove sperimentali dell'esistenza dell’elettrone si ebbero nel 1860, quando William Crookes effettuò esperimenti con il tubo di Geissler, inserendovi due lamine metalliche e collegandole a un generatore di corrente continua a elevato potenziale (circa 30 000 V).

Durante gli anni settanta del XIX secolo, il fisico e chimico inglese Sir William Crookes sviluppò il primo tubo catodico con un vuoto spinto all'interno, dimostrando che i raggi luminescenti che appaiono all'interno del tubo trasportanoenergia e si muovono dal catodo all'anodo. Inoltre, applicando un campo magnetico, fu in grado di deflettere i raggi.Nel 1879, Crookes avanzò l'idea che queste proprietà potessero essere spiegate da quella che denominò "materia radiante" e suggerì che si doveva trattare di un nuovo stato della materia, consistente di molecole cariche negativamente che sono espulse ad alta velocità dal catodo.

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Nel 1896, il fisico britannico J. J. Thomson e i suoi colleghi J. S. Townsend e H. A. Wilson, svolsero una serie di esperimenti che dimostrarono che i raggi catodici fossero costituiti da singole particelle, piuttosto che onde, atomi o molecole come si riteneva in precedenza. 

Nel 1930, in Germania, Walther Bothe e Herbert Becker osservarono che se le particelle alfa del polonio, dotate di grande energia, incidevano su nuclei di elementi leggeri (berillio, boro e litio), veniva prodotta una radiazione particolarmente penetrante; in un primo momento si ritenne che potesse trattarsi di radiazione gamma.Tra il 1931 e il 1932 Irène Curie e il marito Fréderic Joliot-Curie a Parigi mostrarono che questa radiazione misteriosa, se colpiva paraffina o altri composti contenenti idrogeno, ne provocava l'espulsione di protoni di alta energia. All'inizio del 1932, il fisico inglese James Chadwick eseguì una serie di misurazioni che mostrarono come l'ipotesi dei raggi gamma non fosse in grado di spiegare completamente i dati sperimentali. Egli ipotizzò che la radiazione penetrante del berillio consistesse in particelle neutre dotate di massa approssimativamente uguale a quella dei protoni

Il nome "protone" venne introdotto nel 1920 da Ernest Rutherford, al quale viene attribuita tradizionalmente la scoperta, sebbene esperimenti precedenti, fra cui quelli condotti dai fisici Eugene Goldstein e Wilhelm Wien (1885) avessero messo in luce l'esistenza di particelle con carica  positiva.

La teoria dei quark venne avanzata per la prima volta nel 1964 da Murray Gell-Mann e George Zweig che ipotizzarono di poter spiegare le proprietà di molte particelle considerandole composte da quark elementari.

Ma sperimentalmente … ?

Lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) è un laboratorio nazionale statunitense che opera presso la Stanford University per il dipartimento dell’energia degli USA. Fu costruito nel 1962 e si trova sulla Sand Hill Road di Menlo Park, in California.

Gli acceleratori di particelle hanno consentito di scoprire tante particelle utilizzando campi elettromagnetici ed accelerando sempre di più le particelle

1)Elettrostatico di Van De Graaff (elettrostatico) – 1931 – 10-20 MV2)Tandem di Van De Graaff – 20-40 MV3)Circuito moltiplicatore o Cockcroft-Walton – 1932 - 3)LINAC – LINear Accelerators4)Ciclotrone – Lawrence – 1930 – 500MeV

Dagli anni trenta del secolo scorso, la ricerca prosegue questa strada

5) Sincrotrone – 1950-1960Uno dei primi grandi sincrotroni operativi è stato il Bevatron del 

Lawrence Berkeley National Laboratory, costruito nel 1954. Venne così chiamato perché la sua energia iniziale era dell'ordine dei 6,3 GeV

Generatore di Cockcroft–Walton

Acceleratore lineare Van de Graaff a stadio singolo da 2 MeV, aperto per la manutenzione. (1960)

Acceleratore lineare Van de Graaf Laboratori Nazionali del SudInstituo Nazionale di Fisica NucleareCatania - 15 MV – Anni 1980

Le radiazioni piu` utilizzate oggi in „teleterapia‟ sono i quanti del campo elettromagnetico o. „fotoni‟ ... Vi sono oggi negli ospedali del mondo piu` di 15.000 linac su un totale di più di 20.000 acceleratori di tutti i tipi e usi, che accelerano particelle a .....

Schema di un ciclotrone.

Diagramma del ciclotrone di Lawrence - Dal suo brevetto del 1934 – Nobel 1939

Ciclotrone Superconduttore K800 in pieno esercizio dal 1996 – INFN – LNS - Catania

Ciclotrone Superconduttore K800 in pieno esercizio dal 1996 – INFN – LNS - Catania

e ancora oggi continua con

LHC

Gli sforzi mondiali si sono concentrati sulla costruzione del grande acceleratore LHC (Large Hadron Collider) al CERN, inEuropa. Si tratta di un incremento notevole nella tecnologia degli acceleratori e di tutte le tecnologie accessorie (superconduttività, refrigerazione, rivelatori, analisi dei dati ecc). La macchina, inaugurata ufficialmente il 21 ottobre 2008, ha raggiunto energie di 7 TeV nel 2010, due anni dopo sono state effettuate collisioni all'energia record di 8 TeV, record che verrà nuovamente superato nel 2015 quando LHC inizierà a raggiungere la sua energia finale definitiva: 14 TeV

e domani?

Anche nel futuro si continuerà a lavorare con gli acceleratori.ILC (Giugno 2013)

Che cosa è un acceleratore?

Come è fatto?

Per rompere una particella ci vuole un urto ad elevatissima energia

http://www.treccani.it/enciclopedia/acceleratori-di-particelle_%28Enciclopedia_dei_ragazzi%29/