Sincrotrone, cos’è, come funziona e a cosa serve questo particolare acceleratore di particelle

Esistono vari tipi di acceleratori di particelle, alcuni utilizzati in ambito medico, altri nella ricerca. Per quanto riguarda la ricerca, esistono principalmente due tipi di applicazioni: i collider e i sincrotroni. I primi, conosciuti anche come collisionatori di particelle, accelerano e fanno collidere particelle (protoni, ioni…) per studiare la fisica nucleare e subnucleare, come il famoso Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra; i secondi, i sincrotroni, sfruttano l'accelerazione degli elettroni per generare radiazione elettromagnetica (chiamata anche luce di sincrotrone). Questa viene poi utilizzata per analizzare la struttura atomica ed elettronica della materia. In questo articolo vedremo come funzionano i sincrotroni, perché si chiamano così e quali sono alcune delle ultime strabilianti ricerche condotte con questi preziosi strumenti.

Come funzionano i sincrotroni

I sincrotroni sono macchine circolari e cicliche in cui si accelerano elettroni a velocità elevatissime, prossime della velocità della luce. Gli elettroni quando vengono deviati per seguire la traiettoria curva del sincrotrone, perdono parte della loro energia che si trasforma in luce di sincrotrone. Si chiamano "sincrotroni" proprio perché le particelle sono in fase, ovvero sono sincrone, con i campi elettrici e magnetici utilizzati per accelerare e deviare le particelle.
La radiazione che viene prodotta ha uno spettro continuo che va dalla luce visibile ai raggi X, e sono proprio quest’ultimi ad essere utilizzati per fare ricerca in diversi ambiti.

Nei sincrotroni è presente la tecnologia del vuoto (che serve per liberare dall’aria i tubi dentro cui scorre il fascio di particelle), i magneti dipoli che guidano il fascio in una traiettoria circolare, i magneti quadrupoli che focalizzano il fascio e le cavità di Radio Frequenza (RF) che vengono utilizzate per accelerare le particelle tramite un campo elettrico.
Si inseriscono poi gli ondulatori, strumenti composti da una serie di piccoli magneti posti in serie, che generano raggi X molto intensi e brillanti, con una certa struttura temporale e un certo range di energia. I raggi X prodotti da un sincrotrone, infatti, sono miliardi di volte più intensi e brillanti di quelli usati per applicazioni mediche.

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Perché i sincrotroni usano gli elettroni?

I sincrotroni sono pensati per generare quanta più radiazione elettromagnetica possibile e, per farlo, il modo più semplice è deviare gli elettroni. Per quale motivo? Tutto sta nella loro massa, che è circa 1800 volte inferiore rispetto a quello di neutroni e protoni. Senza contare il fatto che gli elettroni sono anche più facili da generare.

I raggi X nei sincrotroni

Una volta generati, i raggi X vengono inviati ai ricercatori tramite delle linee di luce, ovvero tubi contenenti i raggi X, che escono tangenzialmente dall’acceleratore principale. I raggi X vengono poi selezionati in base alla loro energia (o lunghezza d’onda) necessaria per un determinato esperimento e vengono focalizzati sul campione da studiare. Più elevata è l’energia trasportata dai fotoni, minore la loro lunghezza d’onda e dunque maggiore è la loro capacità di penetrare la materia. Ecco perché la luce visibile, formata da fotoni a più bassa energia rispetto ai raggi X, si arresta a contatto con la nostra pelle: l’energia non è sufficiente per penetrare e mostrarci la struttura interna del nostro corpo.

Il sincrotrone europeo ESRF

A Grenoble, ad esempio, si trova il centro di ricerca europeo chiamato ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), al cui interno vi è uno dei sincrotroni più potenti al mondo: la macchina Extremely Brillant Source (EBS), costituito da 44 linee di luce. All'interno di questa struttura vengono condotti esperimenti che spaziano dalla biologia strutturale alla chimica, dalla fisica dei materiali all’archeologia, dalla paleontologia alla medicina, fino all'elettronica e alle nanotecnologie.

Esempi di applicazione

Nel 2021 il National Geographic ha pubblicato una foto di un polmone di una vittima di Covid-19, risultato ottenuto grazie alla tomografia per raggi X svolta proprio in una linea di luce dell’ESRF (linea BM18).
Un’altra linea di luce (linea ID16A) si è occupata di analizzare il cervello di una drosophila, mappando ben più di 135 mila neuroni. Queste ricerche di base servono per capire disturbi neurologici come Alzheimer, Parkinson e autismo.

Un ultimo esempio riguarda la sicurezza alimentare ed è molto curioso: si parla infatti di cioccolato!
Il cadmio, metallo tossico presente nel suolo, viene assorbito dalle piante, una fra tutte la pianta del cacao. Una volta assorbito, viene immagazzinato proprio nei chicchi di cacao, da cui si ricava poi il cacao in polvere e la cioccolata. Ma state tranquilli: le leggi europee prevedono dei limiti di soglia del contenuto di cadmio sopra i quali la cioccolata non può essere commercializzata, comprata e quindi ingerita in Europa (pari a 0,6 mg di cadmio per kg di cacao). Alcuni centri di ricerca mondiali, uno fra questi la linea di luce ID21 dell'ESRF, analizzano il contenuto di cadmio e di altri contaminanti presenti nella pianta e nei chicchi del cacao, grazie a tecniche come l’assorbimento e la fluorescenza di raggi X.

Altri esempi di sincrotroni

In Europa vi sono molti sincrotroni, si parla quasi di una ventina di centri. Operano in diversi range di energia e generano raggi X con differente brillantezza. In Italia ci sono due sincrotroni: ELETTRA a Trieste e DAFNE-Light nei Laboratori Nazionali di Frascati.