Il corso si prefigge di fornire una panoramica della fisica degli acceleratori di particelle, e dello sviluppo storico di tale disciplina. Lo studente sarà infine in possesso delle basilari conoscenze per la comprensione e il controllo di acceleratori lineari e circolari, e per il dimensionamento di nuovi macchinari.

La frequentazione del Corso è suggerita a seguito del superamento degli esami di Fisica (Meccanica, Elettrodinamica) e Analisi Matematica dei primi due anni del Corso di Laurea Triennale. E' desiderabile una approfondita conoscenza dell'elettromagentismo e della Relatività Speciale.

Il Corso introduce gli studenti alla Relatività Speciale e alla cinematica e dinamica relativistica delle particelle subatomiche, al concetto di acceleratore e ai parametri di fascio accelerato. Le principali tipologie di acceleratori di particelle vengono esposte seguendo approssimativamente lo sviluppo storico dei macchinari. I concetti di guida magnetica e accelerazione a radiofrequenza vengono affrontati in modo analitico. La dinamica longitudinale e trasversale di singola particella viene trattata sia in acceleratori lineari che circolari, ad in presenza di emissione di radiazione di sincrotrone. Il concetto di luminosità di collisori viene introdotto, così come quello di brillanza di una sorgente di luce. Infine, il piu’ recente sviluppo di laser ad elettroni liberi viene illustrato tramite le principali equazioni caratterizzanti il processo. Il corso affronta gli argomenti con continui riferimenti agli acceleratori esistenti, sia collisori che sorgenti di luce.

Fundamentals of Particle Accelerator Physics, S. Di Mitri, Springer (Graduate Text in Physics). Cern Accelerator School – CERN 94-01 – Vol.I (edited by Turner, 1994).

Richiami di Relativita’ Speciale. Introduzione alla dinamica di particelle relativistiche. Forza di Lorentz. Definizione di parametri per la caratterizzazione della qualita’ di un fascio di particelle accelerate. Luminosita’ di un collisore di particelle. Radici storiche ed evoluzione degli acceleratori. Acceleratori elettrostatici. Acceleratori elettromagnetici risonanti: acceleratori lineari, il ciclotrone. Acceleratori elettromagnetici non risonanti: il betatrone. Il sincrotrone. Il concetto di stabilita’ di fase. Il concetto di focalizzazione forte. Gli anelli di accumulazione. Le sorgenti di luce. Strutture acceleranti e circuiti risonanti. Cavita’ risonanti. Fattore di tempo di transito. Impedenza di “shunt”. Fattore di merito. Dinamica in un sincrotrone. Particella sincrona. Oscillazioni di sincrotorne. Spazio delle fasi longitudinale. Dinamica in un Linac. Cenni alle strutture ad onda viaggiante. Traiettorie nello spazio delle fasi. Campo elettrico di cattura. Focalizzazione e reticoli magnetici. Indice di campo. Reticolo magnetico a gradienti alternati. Espansione multipolare del campo magnetico.Equazioni del moto. Trasporto del fascio in rappresentazione matriciale. Equazioni di Hill. Criterio di stabilita’. Teorema di Floquet. Concetto di risonanza e punto di lavoro. Richiami di dinamica lagrangiana ed hamiltoniana. Variabili coniugate. Trasformazioni canoniche. Hamiltoniana di un sistema conservativo. Invarianti di Poincare’. Teorema di Liouville (fluido incomprimibile). Emittanza geometrica e normalizzata. Proprieta’ della radiazione di sincrotrone. Formula di Larmor per la potenza irradiata. Ondulatore. Laser ad elettroni liberi.

Il Corso si svilupperà nominalmente in 48 ore di insegnamento frontale (in classe). L'insegnamento comprende esercitazioni scritte con cui applicare i concetti teorici esposti nelle lezioni.

Il corso prevede esercitazioni in classe che contribuiranno in parte alla valutazione finale dello studente, in sede di esame.

Esame orale con esposizione frontale alla lavagna da parte dello studente. Tipicamente 4-6 domande vengono poste, a coprire buona parte del programma di Corso.