Fisica delle Particelle e Premi Nobel 2012

Il Tevatron era un acceleratore protone-antiprotone situato al Fermilab, vicino a Chicago. Aveva una circonferenza di 6,3 km ed era in grado di produrre collisioni con un'energia nel centro di massa di 2 TeV, la più alta fino al 2011.

Il Fermilab, noto anche come FNAL, è un laboratorio di ricerca situato in Illinois. È famoso per il Tevatron, un acceleratore di particelle che ha permesso scoperte importanti nel campo della fisica delle particelle.

Il RHIC è un collisionatore di ioni pesanti situato ai Brookhaven National Laboratories, a nord di New York. È il secondo acceleratore per energia del mondo e l'ultimo collisionatore di ioni pesanti, dopo l'LHC.

Il plasma di quark e gluoni è uno stato della materia che si forma ad altissime temperature. È stato studiato al RHIC, dove si raggiungono temperature di 4000 miliardi di Kelvin.

Il meccanismo di Higgs, proposto da Peter Higgs e François Englert nel 1964, spiega come le particelle elementari acquisiscano massa. La scoperta del bosone di Higgs al CERN nel 2012 ha confermato questo meccanismo.

La capacità di un acceleratore di particelle di esplorare dimensioni sempre più piccole del mondo subatomico dipende dalle energie che riesce a raggiungere. Più alta è l'energia, più piccola è la dimensione che può essere esplorata.

Un fermi (fm) è un'unità di misura della lunghezza pari a 10^-15 metri. Viene spesso utilizzata per misurare le dimensioni delle particelle subatomiche.

Quando un elettrone si scontra con una particella carica, l'interazione elettromagnetica può portare all'emissione di un fotone. Il comportamento di questo fotone durante la collisione fornisce informazioni sulle dimensioni della particella bersaglio.

Se la particella bersaglio è più grande del fotone emesso, il fotone interagisce solo con parte della sua carica e l'elettrone viene deflesso in un modo specifico.

Se la particella bersaglio è più piccola del fotone emesso, il fotone viene assorbito completamente e non è possibile determinare le dimensioni della particella.

Gli acceleratori di particelle possono essere utilizzati per studiare le condizioni dell'universo in istanti sempre più vicini al Big Bang. Ciò è possibile perché l'energia degli acceleratori permette di ricreare temperature e densità simili a quelle dell'universo primordiale.

Il plasma è uno stato della materia che si forma a temperature molto elevate. In questo stato, gli atomi sono ionizzati e la materia è composta da elettroni e ioni.

La radiazione fossile è un tipo di radiazione elettromagnetica che permea l'universo. È una reliquia del Big Bang e fornisce informazioni sull'universo primordiale.

Critica: il tempo necessario a percorrere mezzo giro di un ciclotrone aumenta a energia superiore a 10 MeV, perché l'inerzia delle particelle aumenta a velocità relativistiche. Ciò porta alla perdita di isocronia.

Un ciclotrone che utilizza campi elettrici alternati per accelerare le particelle in un percorso a spirale all'interno di un campo magnetico. Le particelle subiscono accelerazioni multiple, aumentando gradualmente la loro energia.

Un tipo di ciclotrone in cui la frequenza del campo elettrico che accelera le particelle viene variata in sincronia con l'aumento dell'energia delle particelle, per mantenere l'isocronia.

Il primo Sincrotone, creato nel 1946, che risolse il problema dell'isocronia nel ciclotrone tradizionale.

L'antiparticella dell'elettrone, con identica massa ma carica opposta.

L'antiparticella del neutrone, scoperta nel 1956 con il Bevatron.

Lawrence Berkeley Laboratory, fondato nel 1931, ha avuto un ruolo chiave nello sviluppo della fisica delle particelle, tra cui la creazione del Sincrotone e la scoperta di antiparticelle.

Nel 1956, elettroni accelerati a 188 MeV hanno permesso di misurare le dimensioni approssimative del protone, stimate a circa 0.7 fm (femtometri).

Nel 1969, l'accelerazione di elettroni a 17 GeV ha portato alla scoperta dei quark all'interno del protone. Questa scoperta ha rivoluzionato la nostra comprensione della struttura della materia.

Gli acceleratori lineari (Linac) vengono utilizzati in medicina nucleare per la radioterapia, un trattamento che impiega radiazioni per distruggere le cellule tumorali.

All'interno di un acceleratore di particelle, è necessario creare un vuoto spinto (pressione di 10−8 − 10−10 𝑚𝑏𝑎𝑟) per evitare che le particelle urtino contro le molecole d'aria e perdano energia.

Il Centro di Accelerazione Lineare di Standford (SLAC) è un laboratorio nazionale americano che opera presso l'Università di Standford. Il Linac principale è lungo 3 km, interrato a 10 m di profondità, e può accelerare elettroni e positroni fino a 50 GeV.

Le ricerche scientifiche condotte presso lo SLAC hanno prodotto 3 Premi Nobel: nel 1976 per la scoperta del quark charm, nel 1990 per la struttura a quark dei nucleoni, e nel 1995 per la scoperta del tauone.

Nel ciclotrone, i due elettrodi (detti dees) accelerano le particelle quando queste si trovano nell'intercapedine tra loro. Il campo magnetico perpendicolare agli elettrodi mantiene le particelle su un percorso circolare.

Un tessuto che cresce in modo incontrollato a causa di un'alterazione del meccanismo di divisione cellulare.

La diffusione delle cellule tumorali da un sito primario ad altri organi tramite il sistema sanguigno o linfatico.

La rimozione chirurgica di un tumore solido con confini ben definiti.

L'utilizzo di radiazioni ionizzanti per distruggere le cellule tumorali.

La somministrazione di farmaci per distruggere le cellule tumorali e i tessuti metastatici.

Macchine utilizzate nella radioterapia per accelerare gli elettroni a elevate energie.

Le cellule tumorali sono più suscettibili agli effetti della radioterapia rispetto alle cellule sane.

L'apoptosi è un processo di morte cellulare programmata, innescato dalle rotture del DNA causate dalla radioterapia.

I raggi X sono fotoni di energia 0,01 MeV scoperti da Wilhelm Röntgen nel 1895.

La radiografia sfrutta la capacità dei raggi X di attraversare i tessuti in modo diverso a seconda della loro densità. Questo crea un'immagine negativa su una pellicola o uno schermo fluorescente, dove le ossa appaiono chiare e i tessuti molli appaiono scuri.

La radioterapia utilizza i raggi X per distruggere le cellule tumorali. Questo trattamento fu applicato già nel 1896, ma con risultati iniziali non positivi.

La lunghezza d'onda dei raggi X utilizzati in applicazioni mediche si trova nel range di 10^-12 m - 10^-9 m, corrispondente a frequenze di 10^16 Hz - 10^19 Hz.

Per una radiografia efficace, l'intensità del fascio di raggi X deve essere adeguata allo spessore e alla densità del corpo da esaminare, assicurando una penetrazione sufficiente.

L'utilizzo dei raggi X in medicina ha subito un'evoluzione nel corso del XX secolo. Il miglioramento delle tecniche di controllo, collimazione e dosaggio ha portato a riduzione dei tempi di esposizione e migliori risultati nelle cure.

La prima applicazione diagnostica dei raggi X avvenne nel 1896 per visualizzare una pallottola nella mano di un ragazzo.

Il primo utilizzo dei raggi X per la terapia di un tumore avvenne nel 1896, ma con risultati incerti. La radioterapia si perfezionò in seguito grazie a nuove tecniche e tecnologie.