Nuovo Hub di Ricerca Europeo per Fasci di Elettroni

EuPRAXIA@SPARC LAB è un nuovo centro di ricerca che si sta costruendo in Italia. Si concentrerà su esperimenti scientifici avanzati usando un tipo speciale di tecnologia chiamata fasci di elettroni. Questi fasci di elettroni saranno creati utilizzando una serie di acceleratori progettati per essere compatti ed efficienti. Il centro permetterà ai ricercatori di condurre una vasta gamma di esperimenti, in particolare nei campi della fisica e della scienza dei materiali.

#Cos'è un Fascio di elettroni?

Un fascio di elettroni è un flusso di elettroni che può essere diretto e controllato. Questi fasci sono utili in molte applicazioni scientifiche, comprese l'imaging, i processi di trattamento e lo studio delle proprietà dei materiali. Accelerando gli elettroni a elevate velocità, i ricercatori possono generare potenti sorgenti di luce chiamate Free Electron Lasers (FEL), che producono fasci intensi di luce in diverse lunghezze d'onda.

#L'importanza dei Free Electron Lasers (FEL)

I FEL sono strumenti vitali nella scienza moderna. Permettono studi dettagliati dei materiali a livello atomico e possono produrre luce molto brillante e di breve durata. Questa caratteristica li rende adatti per osservare processi rapidi, come le reazioni chimiche o il movimento degli atomi nei materiali. I FEL possono operare in una varietà di intervalli di energia, il che significa che sono versatili e possono essere utilizzati in diversi tipi di esperimenti.

#Sfide con le strutture tradizionali

Le strutture FEL tradizionali hanno uno svantaggio: occupano molto spazio. Le strutture esistenti possono essere lunghe centinaia di metri, il che rende difficile costruirne di nuove, soprattutto in posti con spazio limitato. Ecco perché c'è bisogno di soluzioni innovative che possano adattarsi a aree più piccole senza sacrificare le prestazioni.

#Accelerazione Plasma Wakefield: una soluzione

Una tecnica promettente per superare il problema dello spazio si chiama accelerazione plasma wakefield (PWFA). Invece di avere bisogno di grandi acceleratori, la PWFA utilizza il plasma per accelerare gli elettroni. Il plasma è uno stato della materia simile a un gas ma composto da particelle cariche. Questa tecnica può creare gradienti di accelerazione elevati, il che significa che può ottenere gli stessi risultati in uno spazio molto più ridotto.

#Il design di EuPRAXIA@SPARC LAB

Il centro EuPRAXIA@SPARC LAB è progettato per sfruttare al massimo queste nuove tecnologie. Sarà composto da una combinazione di un linac RF convenzionale e una fase di accelerazione al plasma. Questo significa che utilizzerà sia metodi tradizionali per accelerare gli elettroni sia i metodi più moderni al plasma.

#Componenti del centro

Il centro include diversi componenti chiave:

• Fotoiniettore: Questo dispositivo genera un fascio di elettroni di alta qualità. Usa la luce per creare elettroni, che vengono poi accelerati.
• Linac X-band: Questo è un tipo di acceleratore che aumenta l'energia del fascio di elettroni.
• Fase di accelerazione al plasma: Questa sezione utilizza il plasma per accelerare ulteriormente gli elettroni, permettendo loro di raggiungere energie molto elevate rapidamente.
• Free Electron Lasers: Saranno disponibili due linee di fascio per esperimenti, una per lunghezze d'onda di luce molto brevi (chiamata AQUA beamline) e un'altra per lunghezze d'onda più lunghe nel range VUV (la linea ARIA).

#Capacità sperimentali

La linea AQUA permetterà agli scienziati di studiare campioni biologici nei loro ambienti acquatici naturali, grazie alle proprietà uniche della luce nella cosiddetta "finestra dell'acqua." Questo è importante per l'imaging di materiali biologici non colorati, come cellule e virus, senza la necessità di coloranti o sostanze chimiche che potrebbero alterare il loro stato.

D'altra parte, la linea ARIA si concentrerà sulla luce VUV, permettendo ai ricercatori di esplorare le proprietà di vari materiali, tra cui gas e solidi. Questa linea sarà più veloce da mettere in funzione e giocherà un ruolo cruciale negli esperimenti iniziali e nella messa in servizio del centro.

#Sistemi laser e fonti di luce aggiuntive

Oltre ai FEL, EuPRAXIA@SPARC LAB ospiterà un potente sistema laser. Un laser ad alta potenza può essere utilizzato in diversi modi, inclusa la generazione di particelle accelerate al plasma e come fonte di impulsi di raggi X. Questo laser ad alta potenza sarà versatile, con piani per farlo operare a un tasso di ripetizione più alto in futuro.

Ci sono anche piani per sviluppare una sorgente di betatron, che genera impulsi di raggi X da elettroni accelerati nel plasma. Questo fornirà un ulteriore strumento per gli scienziati da utilizzare nei loro esperimenti.

#Prospettive future

La costruzione di EuPRAXIA@SPARC LAB dovrebbe iniziare nel 2024 e completarsi entro il 2027. L'obiettivo è avere le macchine installate e operative poco dopo il termine della costruzione, con la speranza di accogliere utenti entro il 2029 per esperimenti preliminari.

#Conclusione

EuPRAXIA@SPARC LAB rappresenta un significativo passo avanti nelle strutture di ricerca scientifica. Con il suo design innovativo e strumenti potenti, fornirà ai ricercatori nuove opportunità per esplorare le proprietà fondamentali dei materiali e dei sistemi biologici. Combinando metodi di accelerazione tradizionali e moderni, questo centro mira a spingere i confini di ciò che è attualmente possibile negli esperimenti scientifici.