Vista di un sincrotrone. Foto: Adobe Stock

Dovrebbe entrare in funzione entro la fine di quest’anno ed essere aperto agli scienziati nel 2025: si tratta dell’High Energy Photon Source (Heps) il primo sincrotrone di quarta generazione in fase di costruzione in Asia a Huairou, a una cinquantina di chilometri da Pechino. 

“Si può immaginare un sincrotrone come una sorta di grande microscopio – spiega Giulio Monaco, professore di fisica sperimentale della materia all’università di Padova – che serve a osservare materiali di vario tipo con una risoluzione atomica, cioè con un livello di dettaglio che consente di studiare la struttura e la dinamica degli atomi”. Fuor di metafora, un sincrotrone è un acceleratore di particelle composto da un anello centrale di accumulazione (una sorta di pista circolare) da cui partono ramificazioni a raggiera, le cosiddette linee di fascio. Nell’anello di accumulazione fasci di particelle cariche (elettroni o positroni) vengono sospinti a velocità prossime a quella della luce, producendo in questo modo radiazione di sincrotrone con lunghezza d’onda nello spettro dei raggi X. La radiazione così emessa viene poi indirizzata nelle linee di fascio (o linee di luce): qui attraversa la materia e consente di dare corso agli esperimenti di interesse. Gli ambiti di applicazione possono essere i più svariati e vanno dalla chimica alla biologia, dall’elettronica alle scienze ambientali, dall’ingegneria dei materiali alla medicina, fino all’archeologia. Un settore importante è anche la cristallografia di proteine, con cui si intende definire la struttura dei cristalli in relazione anche a sollecitazioni esterne.

Rendering di un sincrotrone che mostra l'anello di accumulazione e le linee di luce. Immagine: Adobe Stock

“I raggi X – continua Monaco – sono prodotti nella forma di fasci brillanti, molto intensi e concentrati in una zona piccola dello spazio così da ottenere il massimo di informazioni possibile”. Sono detti raggi X duri, perché hanno una lunghezza d’onda inferiore a 0,1 nanometri e sono molto penetranti. “Ebbene, i sincrotroni di quarta generazione, rispetto ai precedenti di terza, sono macchine in grado di produrre fasci particolarmente piccoli e intensi. Ciò permette di esaminare i materiali su una scala microscopica e di analizzare la dinamica atomica dei materiali stessi con un maggior livello di dettaglio, su scala spaziale, temporale ed energetica”.

L’High Energy Photon Source, nello specifico, ha una circonferenza di 1,36 chilometri e sarà in grado di accelerare gli elettroni fino a raggiungere un’energia di sei gigaelettronvolt. L’acquisizione dei dati avrà una risoluzione temporale 10.000 volte migliore rispetto ai sincrotroni di terza generazione e questo permetterà di eseguire misurazioni in centinaia di nanosecondi anziché millisecondi. Si tratta di una piattaforma pubblica per la ricerca multidisciplinare che si colloca nell’ambito del National Medium and Long-Term Construction Plan for Major Science and Technology Infrastructure (2012-2030). “L'obiettivo scientifico più importante dell'Heps – riporta il sito dedicato al nuovo centro – è quello di soddisfare le esigenze più urgenti della ricerca legate allo sviluppo sostenibile dell'industria cinese. Allo stesso tempo, l’Heps può fornire raggi X ad alta intensità, garantendo agli utenti una solida piattaforma di supporto alla ricerca scientifica di base”. I ricercatori potranno scegliere inizialmente tra 14 linee di fascio per esperimenti nel settore della biomedicina, energia, materiali avanzati e fisica della materia condensata, ma si prevede che il nuovo sincrotrone potrà ospitare fino a 90 linee di luce. 

Per la Cina possedere un sincrotrone di quarta generazione significa fare un passo avanti importante dal punto di vista scientifico. “La pianificazione di centri di questo tipo da un lato richiede scienziati dei materiali in grado di usare queste macchine, dunque con il know-how necessario; dall’altro esige un pool di persone capaci di costruirle e gestirle: ebbene, raggiungere questi livelli vuol dire fare un salto di qualità nella capacità di gestione della tecnologia ed essere in grado di formare nuove generazioni di ricercatori con le conoscenze adeguate”.

Sincrotone di Grenoble, Francia. Foto: Adobe Stock

Monaco spiega che piattaforme di questo genere sono state realizzate in molte parti del mondo e altre sono in costruzione. “Un sincrotrone analogo a quello cinese esiste già in Europa, a Grenoble. Nato come sincrotrone di terza generazione, è stato poi migliorato e trasformato in una piattaforma di quarta generazione. Ci sono diversi macchinari di questo tipo sia in Europa che nel mondo e quello a Grenoble (con i quasi 850 metri di circonferenza, ndr) è il più potente a livello europeo”. Costruito grazie alla collaborazione di oltre 20 Paesi, Italia compresa, è diventato operativo nel 1994 ed è stato sottoposto a un’importante operazione di aggiornamento iniziata nel 2018. 

Secondo quanto riferisce Nature, sarebbero circa 70 i sincrotroni distribuiti a livello planetario, in funzione o in costruzione. Tra quelli di quarta generazione, oltre all'European Synchrotron Radiation Facility’s Extremely Brilliant Source, si ricordano lo svedese MAX IV, Sirius a Campinas in Brasile, e l’Advanced Photon Source a Lemont nell'Illinois, dove è stato quasi completato un aggiornamento. 

“In Italia – aggiunge Monaco – esiste un sincrotrone di terza generazione a Trieste, che sarà però rinnovato e sostituito da un impianto di quarta generazione”. Elettra, questo il suo nome, si sta preparando infatti a un’importante fase di ristrutturazione dell’anello di accumulazione. “I sincrotroni nazionali sono più piccoli, ma consentono comunque di fare ricerca. I centri di dimensioni più ampie invece devono essere gestiti a livello multinazionale sia per i costi, che per lo sforzo di gestione necessario. La Cina è un grande Paese, per cui riesce a costruire un sincrotrone di quarta generazione in autonomia, come del resto gli Stati Uniti e l'Europa, attraverso una collaborazione tra Stati, dato che i singoli Paesi europei avrebbero più difficoltà a costruire e gestire una macchina di questo tipo”.