Importanta acceleratoarelor de particule

Pentru a discuta importanta acceleratoarelor de particule in societate este necesar sa se faca distinctia intre cele 3 aplicatii principale ale acestuia:

1. Analiza probelor fizice, chimice si biologice,

2. Modificarea proprietatilor fizice, chimice si biologice ale materiei,

3. Cercetare in fizica subatomica de baza.

In aceasta ultima aplicatie particulele se misca cu viteze apropiate de viteza luminii si am putea vorbi mai degraba de “masificatori” decat de “acceleratoare”.

Analiza probelor si modificarea proceselor

Figura alaturata ofera o vedere pictoriala a dezvoltarii aplicatiilor acceleratoarelor in modificarea proceselor si analiza probelor.

Trunchiul isi are radacinile in fizica nucleara in jurul anului 1930 si obtinerea de energii cat mai mari. Unele tehnologii de accelerare au fost elaborate atat de mult timp in urma incat nu mai sunt discutate la mari conferinte internationale.

O privire rapida asupra figurii, demonstreaza ca acceleratoarele de particule sunt foarte importante, pentru ca aduc contributii de neinlocuit la multe aspect ale vietii omului. Lista domeniilor de aplicatii merge de la A la Z, de la arta la zoologie.

In domeniul artelor se poate lua in considerare munca efectuata la Acceleratorul Grand Louvre pentru Analiza

Elementara(AGLAE) pe un desen facut in jurul anului 1450 si atribuit lui Pisanello. Prin intermediul tehnicii PIXE, atribuirea a fost falsificata, intrucat desenele care pot

fi atribuite in siguranta sunt caracterizate prin mult mai putin cupru decat cantitatea observata.

Pentru litera B putem considera biologia. Dupa finalizarea decodificarii genomului uman, atentia biologistilor moleculari s-a mutat la “genomica structurala”, intelegerea formei si functionarea proteinelor codificate de fiecare gena. Difractia cu raze X a unor probe de proteine cristalizate este in prezent principalul instrument in “proteomica” si toate sursele potrivite – in particular sursele de radiatii sincrotron – contribuie si vor continua sa contribuie.

Inaintand de-a lungul alfabetului, la diagnostice medicale, ciclotronii sunt folositi pentru a produce izotopii folositi pentru Tomografia cu emisie de pozitroni si Tomografia computerizata cu emisie de un foton. Totusi, in aproape 80% din toate examinarile, sunt folositi izotopii (in particular Technetiu-99m) produsi la reactoare vechi. Este momentul potrivit de a utiliza pentru acest tip de productie ciclotroni de putere mare 100-150 Mev in loc de reactoare imbatranite.

Pentru a vindeca anumite tipuri de cancer, fascicule de protoni de 200 MeV sunt folosite cu protocoale medicale stabilite deoarece aproape 30.000 de pacienti au fost tratati din toata lumea. In acest domeniu al tratamentului cancerului, terapia cu protoni este considerata drept "chirurgie fără cutit" pentru că fasciculul de protoni poate transmite energii care să distrugă celule, cu o precizie extremă, comparativ cu terapia convenţională cu raze Roentgen (n.t. cunoscute mai ales sub denumirea de raze X). In prezent, instrumentul cel mai nou si promitator in radioterepie este acea forma de hadronoterapie care utilizeaza fascicule de ioni usori cu numarul atomic in jurul lui Z=6. Spre deosebire de protoni care interactioneaza cu celulele, in esenta, ca raze X, ionii usori controleaza mai bine tumorile radiorezistente cu crestere lenta care reprezinta aproximativ 20% din tumorile iradiate cu raze X. Din 1994 in HIMAC, Japonia, aproximativ 800 de pacienti au fost tratati cu ioni de carbon avand rezultate multumitoare. In anii 1996-1999 AUSTRON-CERN-GSI-TERA Collaboration a efectuat “Proton Ion Medical Machine Study” (PIMMS). PIMMS este baza centrelor de terapie, propus de fundatia TERA si de proiectul Med-AUSTRON autoritatilor nationale. Folosindu-se de PIMMS, propuneri preliminarii au fost deasemenea pregatite de TERA pentru Universitatea Claude

Bernard din Lyon si pentru Institutul Karolinska din Stockholm. Independent, un spital bazat pe centru de terapie a fost proiectat de GSI pentru Universitatea Heidelberg.

In planetologie, sunt folosite fascicule mici de protoni cu energie redusa. La Heidelberg Proton Microprobe, maparea elementara a micrometeoritilor este realizata cu o rezolutie spatiala de cativa microni.

Ajungand in final la litera Z, in domeniul zoologiei se pot mentiona studiile de difractie facute la European Synchrotron Radiation Facility asupra unei fibre musculare izolate a unui broaste, excitata la o frecventa de 25 Hz.

O aplicatie complet noua cu o mare importanta este dezvoltarea razelor X care emite laserele cu electroni liberi. Un fascicul de electroni de 5 Hz, 15-50 MeV format din legaturi intense (1 nC) si slabe (80 fs) emite fotoni prin emisii spontane autoamplificate atunci cand se deplaseaza printr-un ondulator lung. Alte cercetari recente se centreaza pe amplificatorul de energie Rubbia.

Toate aceste exemple arata importanta acceleratoarelor in arta, medicina, industrie si stiinte nucleare. Argumentul este chiar mai puternic daca luam in considerare numarul de acceleratoare.

Urmatorul tabel arata ca 55% din cele 15.000 de acceleratoare care functioneaza in prezent sunt dedicate pentru procesele de modificare: implantarea cu ioni, modificarea suprafetelor si aplicatii industriale (in principal de sterilizare si polimerizare).Acceleratoarele liniare(linac) folosite in radioterapie reprezinta o treime din toate acceleratoarele existente. Exista aproximativ 70 de surse de radiatii cu sincrotroni in lume, cu cea mai mare densitate in Japonia si mai mult de 100 de acceleratoare de particule folosite in cercetarea fizicii subatomice de baza. In 1994 numarul acceleratoarelor de particule era de aproximativ 10000, deci putem concluziona ca rata progresului este de aproximativ 15% pe an.

CATEGORIA NUMARUL

Implantarea ionilor si modificarea suprafetelor

7000

Acceleratoare in industrie 1500Aceleratoare in cercetarea non-nucleara 1000Radioterapie 5000Productia de izotopi medicali 200Handronoterapia 20Surse de radiatie cu sincrotroni 70Cercetare in fizica nuclear si cea a particulelor

110

Total 15000

Stadiul fizicii subatomice si viitoarele sale aceleratoare

Fizica subatomica de baza cuprinde 2 subiecte: fizica nucleara si fizica particulelor. Primul se axeaza pe sisteme cu numarul baryonic mult mai mare decat 1 si se subdivide in 2 capitole. Primul capitol se intituleaza Fizica nucleara a temperaturilor inalte si este bine discutata cu referinta la urmatoarea diagrama:

Pe axa orizontala sunt densitatile borionice relative ale celor mai mici(nucleele atomice) si celor mai mari sisteme nucleare(stele neutronice). Pe axa verticala este reprezentata temperatura sistemelor avand numarul barionic mult mai mare decat 1 in contextul energiei cinetice component, corespondenta fiind 100 MeV = 1012 K. Problema aici sunt studiile experimentale a limitarii tranzictiei prezise de descrierea modelului standard a barionilor ca legaturi de quarci, de schimbul continuu de glouni. Sagetile oblice indica drumul aproximativ al sistemelor neechilibrate studiate colizionand ioni grei cu tinte grele fixe la AGS(Brookhaven) si SPS(Cern).

Recent, fizicienii care lucreaza la SPS au adunat toate informatiile obtinute in urma experimentelor din ultimii 10 ani concluzionand ca o noua forma de materie a fost descoperita. Rezultatele asteptate de la RHIC ar trebui sa aduca informatii precise cu privire la tranzictiile limitate incepand de la temperaturi care sunt de doua ori mai mari decat temperatura de tranzitie (200 MeV). Coliziunile lead-lead studiate la experimental ALICE la LHC au inceput cu temperaturi mult mai mari, decat reproducand mai amanuntit ce s-a intamplat la inceputurile Universului. Din acest punct de vedere putem spune ca daca nu este descoperita o temperatura mai mare de tranzictie nu va fi nevoie de un accelerator ion-ion de energii si mai mari.

Figura urmatoare reprezinta un grafic folosit pentru a descrie aspectele principale ale celui de-al doilea capitol, numit Fizica nucleara a temperaturilor mici.

Zona neagra si cea umbrita acopera nucleele stabile si instabile. Mai jos, delimitata de linia neutronilor se observa zona neutronilor-nuclee mari care pot fi produsi doar accelerand si colizionand nuclee instabile(radioactive) cu tinte fixe.Fizica nucleara temperaturilor mici se foloseste de aceleratoarele de nuclee radioactive.

Legaturile dintre fizica subatomica si astrofizica sunt chiar mai puternice. Intr-adevar tot ce una invata in al doilea subiect al fizicii subatomica- fizica particulelor-este crucial pentru rezolvarea primei dintre problemele stiintifice: originea Universului, originea vietii. Aceasta este posibila deoarece consideratii termodinamice simple leaga timpul universal t de energia E existenta in coliziunea

particulelor care formeaza materia primordiala:

tmicroseconds≈1/E2GeV.

Fenomenul de coliziune si descompunere avand loc amandoua la inceputurile Universului si acum in jurul masificatoarelor noastre sunt datorate proceselor elementare de emisie si absorbtie care sunt determinate de valoarea numeria a α-1, inversarea cuplarii.

Motivul este ca, pentru fiecare interactiune(tare, electromagnetica si slaba) α-1 este egal cu numarul de ori unul trebuie sa observe particula-materie inainte sa gaseasca un mediator virtual aproape de ea. Daca α-1 are ordinal 1, particula-materie este permanent inconjurata de un mediator si forta este puternica.

Principalul punct este ca valoarea lui α-1 depinde de energia (sau de impuls) E a particulei-forta virtual. Intr-adevar cand o incarcatura de energie inconjoara o particula-materie toate perechile particula-antiparticula cu energii mai mici decat E pot fi create pentru o scurta perioada. Ele influenteaza interactiunea dintre mediator si particula-materie si schimba valoarea lui α-1. De exemplu, cand un foton virtual cu un impuls mai mare decat 10 GeV este schimbat intre 2 electroni legaturile pot fi modificate de crearea de moment a quarcilor beauty si antibeauty, fiecare avand aproximativ 10 GeV.

Domeniul teoriei cuantice permite calcule precise a dependentei energiei de fiecare cuplaj, odata ce valorile la o energie data sunt cunoscute impreuna cu masele tuturor particulelor care pot ficreate pe moment. In 1991 masuratorile precise LEP au celor 3 cuplaje fundamentale efectuate la E≈100 GeV au permis pentru prima data extrapolarea precisa si un fapt suspectat de cativa ani a devenit sigur: In Modelul Standard fortele nu se unifica la energiile mari. Dar unificarea se obtine daca este adoptat un model teoretic mai satisfacator, Modelul Supersimetric in care este simetria deplina intra particulele-materie(quarci si leptoni) si particule-forta(bosonii care transmit forte fundamentale).In versiunea minimala a unui acest tip de model -precum in altele mai simple- noile superparticule sunt presupuse cu energii peste 100 GeV explorate pana acum. Existenta lor ar modifica dependenta de energie a cuplajelor inclinandu-le spre un punct de unificare la 1016GeV asa cum este aratat in partea de jos a figurii urmatoare.

Figura arata ca in acest model cuplajele s-au separat la 10-38s si al 10-1210-10 are loc tranzitia, timp in care toate superparticulele s-au descompus si nu au mai putut fi

create datorita lipsei de energie in coliziuni. Deasemenea alte modele ale evenimentelor inainte de 10-10s sunt discutate astazi. Oricum stim ca in jurul acesei perioade toti bosonii slabi W si Z s-au descompus. De indata ce fortele pur slabe si pur electromagnetice sunt unite pentru a forma uzualele forte slabe si electromagnetice. Singura cale de a proba tranzitia SUSY este de a studia coliziunile la energii mai mari de 100-200 GeV.Acesta este domeniul energiei de LHC.

Particulele-materie ale modelului standard reprezinta al doilea domeniu important din fizica particulelor. Pentru quarci, fenomenologia este bine cunoscuta. In procesul de coliziune, quarcii down, strange si beauty dar in

procesele de descompunere combinatiile liniare ale acestora – indicate ca d’ ,s’ b’ –determina efecte observabile. Matricea Cabibbo-Kobayashi-Maskawa le conecteaza si a durat mai mult de 40 de ani pentru a face masuratorile cu o precizie rezonabila. Cei 3 neutrini sunt asteptati sa expuna comportamente similar.

Mixarea quarcilor poate fi studiata la acceleratori pentru ca toti quarcii grei se descompun in cativa mm. Neutrinii , fiind cei mai usori din toate particulele, nu au destula energie pentru a se descompune,astfel, odata produsi, se deplaseaza permanent.Deja stim ordinea magnitudinii a unor elemente non-diagonale a matricii neutrinilor, dar doar masuratori mult mai precise vor permite sa inlocuiasca orice “teorie a orice”: cu siguranta, va fi nevoie mai mult de 50 de ani de experimente.

Acest domeniu este in deplina dezvoltare in timp ce viitorul leptonilor si al acceleratoarelor hadronice este bine defint. In ceea ce priveste frontiera enegiilor inalte, in timp ce

experimentele LHC se vor desfasura, cel putin un accelerator liniar electron-positron de mare energie va trebui sa fie construit pentru a studia in detaliu domeniul noii energii explorata profund dar mai putin precise fiind procesele proton-proton. Energia realizabila ar trebui sa fie cat se poate de mare ;ezultatele obtinute la LEP, Tevatron, si LHC vor indica energia initiala optima. Acceleratoarele de muoni sunt pentru mai tarziu, cand fabricile de neutrini vor fi deschis calea spre surse intense de muoni.

`Este interesant de remarcat ca este nevoie de tintele care absorb multi mW de putere transportati de fascicule de protoni de inalta energie in explorare (neutrino si fabrici de muoni), pentru explorarea stiintei non-nucleare. Acesta este un exemplu perfect pentru evolutia sinergetica neasteptata.

Concluzii

Acceleratoarele de particule sunt importante in viata omului, in arta, stiinte, medicina, industria de inalta tehnologie incat numarul lor total creste cu 15% in fiecare an. Cele de inalta energie sunt cruciale pentru intelegerea Universului a originii, a formarii acestuia si a aparitiei vietii pe Pamant. Acestea dau informatii cu privire la nucleii grei fara de care Pamantul nici nu ar fi existat. Mai mult acestea ofera metode de falsificare si noi “teorii a tot”. Totusi trunchiul copacului timpului este mare si se dezvolta, frunzele batrane sunt verzi iar cele noi inmuguresc. Daca specialistii in aceleratoare continua sa inventeze si sa lucreze ca in trecut, viitorul acceleratoarelor de particule si masificatoarelor este asigurat.

Bibliografie

K. Betghe, Nucl. Phys. News, 9/1(1999) 20.A. Duval,in Pisanello, Actes du Colloque du]uin 1996, D. Cordellier and B. Pyeds., Musee du Louvre, La DocumentationFrancaise, 1998.T.A. Ceska, ].R. Sayers, G. Stier, D.Suck, Nature 382 (1996) 90.P,J. Bryant et al, Proton-Ion Medical Machine Study, Part I and II, CERN/PS 1999-010 (DI) and CERN/PS 2000-007 The National Centre for Oncological Hadrontherapyat Mirasole, U. Amaldi ed., INFN, Frascati, 1997.Med-AUSTRON Machbarkeitsstudie, R. Potter, T. Auberger and M. Regler eds., AUSTRON, Wiener Neustadt, 1998.Proposal for a Dedicated Ion Beam Facility for Cancer Therapy, K.D. Gross and M. Pavlovic eds., Univ. HeidelbergDKFZ- GSI, GSI, Darmstadt, 1998.P. Arndt et al,]. Conf. Abs., Cambridge,1, (1996) 24.1. Dobbie et aI, ]. Muscle Res. Cell Motility, 17 (1996) 163.[IS] H. Arnould et aI, Phys. Lett. B458 (1999) 167.www.wikipedia.orgwww.fz-juelich.de/esslwww.ati.ac.at/austronlwww.sns.govwww-ssrl.slac.stanford.edullclslwww.desy.de/-wroblewt/scifel!www.gsi.de/gsi.research.html