Un acceleratore di particelle è un dispositivo fisico che utilizza campi elettrici per accelerare particelle cariche a velocità immense, a volte frazioni significative della velocità della luce. Le particelle comuni che possono essere trovate all’interno degli acceleratori di particelle includono protoni ed elettroni, i mattoni dell’atomo.
Un acceleratore di particelle viene utilizzato per osservare il comportamento di piccole particelle ad alte velocità ed energie, nonché per scopi più quotidiani come la generazione di un tipo specifico di radiazione elettromagnetica. Gli acceleratori di particelle sono spesso usati per far schiantare le particelle l’una contro l’altra a velocità molto elevate, rivelando i loro componenti più fondamentali. Il generatore di raggi X e il televisore sono entrambi esempi comuni di acceleratori di particelle, con lo stesso design di base dei loro cugini più grandi utilizzati negli esperimenti di fisica delle alte energie. Un acceleratore di particelle rientra in una delle due categorie: circolare o lineare.
In un acceleratore di particelle circolare, le particelle vengono accelerate in un percorso circolare continuo. Il vantaggio di questa disposizione è che la particella può essere diretta in cerchio molte volte, risparmiando hardware. Lo svantaggio è che le particelle negli acceleratori circolari emettono radiazioni elettromagnetiche, chiamate radiazioni di sincrotrone. Poiché il loro slancio li incoraggia costantemente a volare su una traiettoria tangenziale al cerchio, l’energia deve essere continuamente spesa per mantenerli sul percorso circolare, il che significa che gli acceleratori di particelle circolari sono meno efficienti. Nei grandi acceleratori, la radiazione di sincrotrone è così intensa che l’intero acceleratore deve essere interrato per mantenere gli standard di sicurezza. L’acceleratore di particelle Fermilab in Illinois ha un percorso circolare di 4 miglia (6.43 km).
Gli acceleratori lineari sparano particelle in linea retta verso un bersaglio fisso. Il tubo a raggi catodici del televisore è un acceleratore di particelle a bassa energia, che spara fotoni nella gamma della luce visibile su una lastra di vetro, lo schermo. Il flusso di fotoni viene costantemente reindirizzato per riempire lo schermo di pixel. Questo reindirizzamento avviene abbastanza velocemente da percepire il flusso alternato di fotoni come un’immagine continua.
Gli acceleratori lineari ad alta energia, o linac, sono utilizzati nelle applicazioni fisiche. Una serie di piastre alternativamente attrae e respinge le particelle cariche che si muovono attraverso di esse, trascinando le particelle in avanti quando non le hanno ancora passate e spingendole via dopo che l’hanno fatto. In questo modo, i campi elettrici alternati possono essere utilizzati per accelerare flussi di particelle a velocità ed energie molto elevate. I fisici usano questi acceleratori per simulare condizioni esotiche, come quelle al centro delle stelle o vicino all’inizio dell’universo. Lo “zoo delle particelle” descritto dal Modello standard della fisica delle particelle è stato scoperto in modo incrementale negli esperimenti con gli acceleratori di particelle. Il più grande acceleratore lineare di particelle è lo Stanford Linear Accelerator con una lunghezza di 2 miglia (3.2 km).