La possibilità di manipolare le traiettorie di fasci di particelle cariche, sfruttando l'interazione coerente fra le particelle e un cristallo incurvato, ha suscitato notevole interesse nella comunità dei fisici delle alte energie e dei fisici degli acceleratori. Il fenomeno del channeling e il recentemente scoperto effetto della riflessione di volume si sono dimostrate tecniche molto promettenti in tal senso. Un fascio di particelle cariche, in prossimità di una struttura cristallina ordinata, subisce l'influenza del forte campo elettrico prodotto dagli atomi e può verificarsi il confinamento della traiettoria, parallelamente ai piani o agli assi cristallini, che diventano percorsi privilegiati all'interno del cristallo. Incurvando il cristallo, anche questi percorsi preferenziali si incurvano e le particelle del fascio vengono guidate dal cristallo. Riguardo le particelle cariche positivamente, in questi ultimi anni si è verificato un significativo progresso per la loro deflessione, sospinti dalla scoperta di nuovi fenomeni e, soprattutto, dall'avvento di nuove tecniche di produzione dei cristalli. È stata dimostrata la possibilità di ottenere e riprodurre la deflessione di fasci di protoni tramite channeling e riflessione di volume, con un'efficienza, rispettivamente, dell'80% e del 97.5%, a fronte di un'unica interazione con il cristallo. In forza a tali risultati, la tecnologia di realizzazione dei cristalli è stata considerata sufficientemente evoluta per guidare un esperimento pilota per la collimazione di fascio, che sarà condotto nel 2009 nell'SPS al CERN. Per contro, molto poco è noto riguardo alla deflessione di particelle cariche negative, anche se la possibilità di manipolare tali fasci tramite un'interazione coerente con un cristallo porterebbe a molte e interessanti opportunità. Ad esempio potrebbe essere un'elegante soluzione al problema della collimazione dell'alone di fascio negli acceleratori lineari per elettroni ad alta intensità di nuova generazione, oppure potrebbe servire per pilotare fasci di antiprotoni, per esempio estraendone una frazione modulabile da un sincrotrone con una perturbazione minimale al fascio primario, o infine potrebbe rivelarsi la base per costruire ondulatori per elettroni, stimolando l'emissione coerente di raggi x, come avviene in un laser ad elettroni liberi, ma con il vantaggio di avere un periodo di oscillazione più piccolo e una più facile costruzione. Nella modalità di incanalamento planare, le particelle negative oscillano intersecando continuamente i nuclei del cristallo e per questo subiscono l'uscita dal regime di moto confinato nel cristallo circa dieci volte più intensamente rispetto al caso delle particelle positive. Studi teorici hanno altresì individuato il regime di channeling assiale come la miglior condizione per le particelle negative, poiché in questo caso il moto elicoidale delle particelle nel potenziale dei filari atomici paralleli evita l'interazione a basso parametro d'impatto con i nuclei. Nonostante ciò, le condizioni sperimentali per ottenere un'alta efficienza con l'incanalamento assiale, e fra queste la progettazione di cristalli adatti allo scopo, sono state raggiunte solo molto recentemente come risultato di un precedente progetto PRIN (MIUR 2006028442). Il presente progetto mira allo studio, alla realizzazione e alla sperimentazione di cristalli atti a manipolare fasci di particelle cariche negative in un ampio intervallo di energia, da 1 a 200 GeV. Le conoscenze pregresse riguardo l'incanalamento di particelle negative saranno sfruttate per la progettazione dei cristalli, asservendosi anche di simulazioni, la cui affidabilità è stata già ampiamente dimostrata negli esperimenti con particelle positive. I cristalli verranno realizzati inizialmente a partire dal tradizionalmente impiegato silicio, presso le strutture di microlavorazione disponibili nelle sedi dei proponenti. Si procederà inoltre allo studio di materiali innovativi (per il channeling) come il germanio o il niobato di litio. Il germanio possiede numero atomico più alto del silicio, unitamente ad una sufficiente purezza cristallina. Benché nel passato alcuni tentativi siano già stati effettuati, manca ancora uno sviluppo appropriato dei processi necessari per ottenere un channeling efficiente. Anche il niobato di litio offre una struttura molto regolare e può diventare il prototipo di un cristallo multi funzionale, incorporando sia la deflessione mediante channeling che la possibilità di variarne la curvatura mediante effetto piezoelettrico. Particolare enfasi verrà posta alla caratterizzazione dei cristalli: l'esperienza pregressa ha mostrato la necessità di un tale approccio per la realizzazione di cristalli efficienti. L'ultimo passo sarà lo studio dell'interazione fra i cristalli ottenuti e fasci di particelle negative ad alta energia nelle linee esterne dell'SPS, presso il CERN, una struttura nella quale i membri di questo progetto sono utenti da lungo tempo.

Deflessione di particelle negative relativistiche mediante channeling e fenomeni correlati in cristalli deformati.

GUIDI, Vincenzo
2010

Abstract

La possibilità di manipolare le traiettorie di fasci di particelle cariche, sfruttando l'interazione coerente fra le particelle e un cristallo incurvato, ha suscitato notevole interesse nella comunità dei fisici delle alte energie e dei fisici degli acceleratori. Il fenomeno del channeling e il recentemente scoperto effetto della riflessione di volume si sono dimostrate tecniche molto promettenti in tal senso. Un fascio di particelle cariche, in prossimità di una struttura cristallina ordinata, subisce l'influenza del forte campo elettrico prodotto dagli atomi e può verificarsi il confinamento della traiettoria, parallelamente ai piani o agli assi cristallini, che diventano percorsi privilegiati all'interno del cristallo. Incurvando il cristallo, anche questi percorsi preferenziali si incurvano e le particelle del fascio vengono guidate dal cristallo. Riguardo le particelle cariche positivamente, in questi ultimi anni si è verificato un significativo progresso per la loro deflessione, sospinti dalla scoperta di nuovi fenomeni e, soprattutto, dall'avvento di nuove tecniche di produzione dei cristalli. È stata dimostrata la possibilità di ottenere e riprodurre la deflessione di fasci di protoni tramite channeling e riflessione di volume, con un'efficienza, rispettivamente, dell'80% e del 97.5%, a fronte di un'unica interazione con il cristallo. In forza a tali risultati, la tecnologia di realizzazione dei cristalli è stata considerata sufficientemente evoluta per guidare un esperimento pilota per la collimazione di fascio, che sarà condotto nel 2009 nell'SPS al CERN. Per contro, molto poco è noto riguardo alla deflessione di particelle cariche negative, anche se la possibilità di manipolare tali fasci tramite un'interazione coerente con un cristallo porterebbe a molte e interessanti opportunità. Ad esempio potrebbe essere un'elegante soluzione al problema della collimazione dell'alone di fascio negli acceleratori lineari per elettroni ad alta intensità di nuova generazione, oppure potrebbe servire per pilotare fasci di antiprotoni, per esempio estraendone una frazione modulabile da un sincrotrone con una perturbazione minimale al fascio primario, o infine potrebbe rivelarsi la base per costruire ondulatori per elettroni, stimolando l'emissione coerente di raggi x, come avviene in un laser ad elettroni liberi, ma con il vantaggio di avere un periodo di oscillazione più piccolo e una più facile costruzione. Nella modalità di incanalamento planare, le particelle negative oscillano intersecando continuamente i nuclei del cristallo e per questo subiscono l'uscita dal regime di moto confinato nel cristallo circa dieci volte più intensamente rispetto al caso delle particelle positive. Studi teorici hanno altresì individuato il regime di channeling assiale come la miglior condizione per le particelle negative, poiché in questo caso il moto elicoidale delle particelle nel potenziale dei filari atomici paralleli evita l'interazione a basso parametro d'impatto con i nuclei. Nonostante ciò, le condizioni sperimentali per ottenere un'alta efficienza con l'incanalamento assiale, e fra queste la progettazione di cristalli adatti allo scopo, sono state raggiunte solo molto recentemente come risultato di un precedente progetto PRIN (MIUR 2006028442). Il presente progetto mira allo studio, alla realizzazione e alla sperimentazione di cristalli atti a manipolare fasci di particelle cariche negative in un ampio intervallo di energia, da 1 a 200 GeV. Le conoscenze pregresse riguardo l'incanalamento di particelle negative saranno sfruttate per la progettazione dei cristalli, asservendosi anche di simulazioni, la cui affidabilità è stata già ampiamente dimostrata negli esperimenti con particelle positive. I cristalli verranno realizzati inizialmente a partire dal tradizionalmente impiegato silicio, presso le strutture di microlavorazione disponibili nelle sedi dei proponenti. Si procederà inoltre allo studio di materiali innovativi (per il channeling) come il germanio o il niobato di litio. Il germanio possiede numero atomico più alto del silicio, unitamente ad una sufficiente purezza cristallina. Benché nel passato alcuni tentativi siano già stati effettuati, manca ancora uno sviluppo appropriato dei processi necessari per ottenere un channeling efficiente. Anche il niobato di litio offre una struttura molto regolare e può diventare il prototipo di un cristallo multi funzionale, incorporando sia la deflessione mediante channeling che la possibilità di variarne la curvatura mediante effetto piezoelettrico. Particolare enfasi verrà posta alla caratterizzazione dei cristalli: l'esperienza pregressa ha mostrato la necessità di un tale approccio per la realizzazione di cristalli efficienti. L'ultimo passo sarà lo studio dell'interazione fra i cristalli ottenuti e fasci di particelle negative ad alta energia nelle linee esterne dell'SPS, presso il CERN, una struttura nella quale i membri di questo progetto sono utenti da lungo tempo.
2010
Guidi, Vincenzo
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