Il più grande acceleratore di particelle al mondo, il Large Hadron Collider (LHC), si trova in un tunnel circolare a circa cento metri sotto il confine franco-svizzero vicino a Ginevra. È enorme—circa 17 chilometri di circonferenza—e capace di accelerare particelle subatomiche a energie di 10^12 electronVolt (Tera eV o TeV), le più alte mai raggiunte. Costruito negli anni ’90 e acceso nei primi anni 2000, l’LHC sta invecchiando e i fisici ora vogliono far collidere particelle a energie ancora più alte per vedere se emerge qualcosa di nuovo dai detriti. Il problema è che queste energie più alte generalmente richiedono tunnel più lunghi per ospitare acceleratori più grandi e affamati di energia, che sono tutti difficili e costosi da costruire. Quindi i fisici stanno cercando macchine più economiche e più piccole che possano raggiungere energie più alte in uno spazio ridotto e a una frazione del costo.
Ora Bifeng Lei dell’Università di Liverpool nel Regno Unito, e colleghi, dicono di aver trovato in linea di principio come raggiungere 10^15 electronVolt (Peta eV o PeV) in un dispositivo delle dimensioni di un tavolo. La loro macchina potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di acceleratori compatti che potrebbero aiutare a studiare il comportamento della materia sotto campi elettrici ultra-alti, rilevanti sia per la fisica delle particelle che per l’astrofisica. “Questo lavoro rappresenta una promettente via per lo sviluppo di acceleratori di particelle ultra-compatti e ad alta energia,” dicono.
Gli acceleratori di particelle come l’LHC funzionano propellendo ripetutamente particelle cariche attraverso campi elettromagnetici, aumentando gradualmente la loro energia ad ogni passaggio. L’accelerazione delle particelle cariche avviene all’interno di cavità riempite con potenti onde elettromagnetiche a radiofrequenza. In effetti, le particelle accelerano “surfando” su queste onde. Tuttavia, le potenti onde a radiofrequenza sono difficili da generare, richiedendo costose cavità superconduttive raffreddate alla temperatura dell’elio liquido.
Un altro modo per accelerare le particelle è all’interno di un plasma. Il trucco qui è scavare un percorso attraverso il plasma usando un laser o un fascio di elettroni e poi permettere alle particelle cariche di “surfare” sull’onda risultante. Gli acceleratori a wakefield sono più compatti ed efficienti dal punto di vista energetico. Ma il loro potere di accelerazione è limitato dalla densità del plasma, che è tipicamente una sostanza gassosa con meno di 10^18 particelle per centimetro cubo. Questo è significativamente inferiore alla densità degli elettroni liberi in un metallo che può essere alta fino a 10^24 per centimetro cubo. È facile immaginare allora che i metalli debbano essere eccellenti acceleratori di particelle. Tuttavia, i fisici non hanno ancora laser a raggi X abbastanza potenti da scavare un percorso attraverso plasmi ad alta densità nei metalli, quindi non sono ancora stati sfruttati.
La svolta che Lei e colleghi hanno fatto è capire come sfruttare densità di plasma simili in un materiale completamente diverso: un array di nanotubi di carbonio. In teoria, le pareti dei nanotubi di carbonio ospitano un mare di elettroni degeneri che hanno una densità simile a quella dei metalli. Ma hanno anche un centro cavo, riempito di vuoto, in cui gli elettroni possono muoversi, se spinti abbastanza fortemente. Quindi i materiali che indagano consistono in un array di nanotubi di carbonio con un foro interno, come un pacchetto di spaghetti secchi con alcuni fili rimossi dal centro per creare un percorso attraverso. Il team simula quindi l’effetto di inviare un impulso di elettroni attraverso questo passaggio, utilizzando i nanotubi di carbonio circostanti come guide d’onda. Il fascio interagisce con gli elettroni nelle pareti dei nanotubi, costringendoli verso l’esterno mentre passa e poi tornando alla loro posizione originale successivamente.
Questo crea un potente campo elettrico all’interno del nanotubo di carbonio che segue il fascio di elettroni mentre si muove. È questo campo elettrico che può accelerare altre particelle cariche. Questo meccanismo di accelerazione a wakefield, già esplorato negli acceleratori a plasma, assume una nuova e altamente efficiente forma all’interno della geometria confinata dei nanotubi. Nelle simulazioni, i ricercatori mostrano che questa configurazione può generare gradienti di accelerazione nell’ordine di centinaia di TeV per metro—ordini di grandezza superiori agli acceleratori RF convenzionali, come quelli dell’LHC. “In linea di principio, gli elettroni possono essere accelerati a energie PeV su distanze di diversi metri,” dicono Lei e colleghi.
Il team traccia come le strutture attualmente disponibili al CERN e in altri laboratori di fisica delle particelle potrebbero essere utilizzate per testare l’idea nella pratica. Tuttavia, ci sono alcune potenziali limitazioni. Una è che se il campo all’interno dei nanotubi è troppo grande, gli elettroni possono essere espulsi del tutto e quindi non tornano alle loro posizioni originali e non creano un campo di accelerazione. Quindi sarà necessaria una calibrazione accurata per prevenire tali espulsioni. Un’altra è che i ricercatori devono creare un impulso di elettroni altamente compatto e denso per passare attraverso il passaggio del nanotubo di carbonio per cominciare. Impulsi di questa densità potrebbero presto essere possibili con attrezzature all’avanguardia nei principali laboratori di fisica delle particelle del mondo.
Se questi esperimenti avranno successo, gli acceleratori a nanotubi di carbonio potrebbero rivoluzionare diversi campi. Potenti acceleratori compatti potrebbero permettere nuovi esperimenti di fisica delle particelle senza richiedere infrastrutture su scala chilometrica. Acceleratori miniaturizzati potrebbero avanzare la terapia a radiazioni per il trattamento del cancro, fornendo fasci di elettroni o ioni ad alta energia con una precisione senza precedenti. Lo stesso tipo di dispositivo potrebbe anche essere utilizzato per la lavorazione avanzata dei materiali, test non distruttivi, e scansioni di sicurezza o persino come una nuova tecnologia di propulsione per veicoli spaziali.
I campi elettrici estremamente potenti all’interno di queste macchine potrebbero anche permettere ai fisici di riprodurre le condizioni all’interno di certi fenomeni astrofisici. Lei e colleghi sono ottimisti riguardo al loro potenziale. “L’acceleratore a plasma a stato solido basato su nanotubi di carbonio offre un potenziale trasformativo per avanzare lo sviluppo di acceleratori di particelle ultra-compatti, aprendo nuove strade per varie applicazioni avanzate.”