La seconda rivoluzione scientifica: fisica e chimica. Gli strumenti del mestiere
La seconda rivoluzione scientifica: fisica e chimica. Gli strumenti del mestiere
Gli strumenti del mestiere
Acceleratori in guerra e in pace: 1945-1952
Durante il periodo bellico, gli acceleratori sono stati utilizzati nel progetto della bomba atomica, allo scopo di produrre i primi campioni di plutonio, arricchire l'uranio, effettuare misurazioni delle proprietà nucleari utili per la progettazione della bomba. Gli scienziati che avevano accantonato i propri impegni di ricerca per contribuire ai progetti bellici furono pronti a mettere in luce la necessità di continui e sostanziosi finanziamenti, in particolare per gli strumenti di ricerca dimostratisi cruciali per la guerra e che promettevano sostanziali dividendi per la ricerca di base. Un esempio è rappresentato da Ernest O. Lawrence (1901-1958), il quale chiese al responsabile del Manhattan Engineering District ‒ il generale Leslie Groves ‒ fondi e apparati per sviluppare i due nuovi schemi di acceleratore suggeriti dai suoi pupilli, Edwin M. McMillan (1907-1991) e Luis W. Alvarez (1911-1988), quale parte di una richiesta che avrebbe incrementato il budget del suo laboratorio di Berkeley di 30 volte rispetto al periodo prebellico.
Alvarez, per primo, sperò di modificare la tecnologia radar evoluta per creare un nuovo e più potente tipo di generatore di potenza per un acceleratore lineare di elettroni. Abbandonò però questa idea dopo aver ascoltato McMillan, il quale indipendentemente aveva sviluppato il concetto di stabilità di fase, un'idea già suggerita da Vladimir Veksler in Unione Sovietica. Come McMillan spiegò nel 1945 in una relazione a Lawrence, le particelle potevano essere accelerate ad alte energie attraverso un apparecchio nel quale la fase delle particelle rispetto al campo elettrico ad alta frequenza "si adatta automaticamente al valore adeguato per l'accelerazione". In un tale apparecchio, successivamente chiamato 'sincrociclotrone', le particelle potevano essere accelerate fino a raggiungere energie che andavano ben oltre la capacità di un semplice ciclotrone.
Mentre erano predisposti piani più duraturi per il finanziamento delle ricerche postbelliche, Groves acconsentì alla richiesta di Lawrence e stanziò fondi ed equipaggiamenti aggiuntivi per numerosi progetti del laboratorio di Lawrence. McMillan lavorò alla modifica del ciclotrone a 184 pollici (4,6 m ca.), che Lawrence aveva precedentemente previsto di utilizzare per infrangere la barriera relativistica con la forza bruta, in un sincrociclotrone. McMillan ricevette anche le risorse per la costruzione di un elettrosincrotrone a 300 MeV, un acceleratore che variava sia il campo magnetico sia la frequenza per mantenere le particelle in fase, realizzando in tal modo una nuova linea di acceleratori. Nel frattempo, Alvarez iniziò a lavorare a un altro acceleratore lineare, costituendo a Berkeley un gruppo, di cui faceva parte anche Wolfgang K. H. Panofsky, un immigrato tedesco che aveva lavorato con Alvarez a Los Alamos. Questo dispositivo, che accelerava i protoni a 32 MeV nel 1946, fu il primo acceleratore lineare a protoni ad alta energia e divenne il modello per i successivi acceleratori lineari di protoni. Un altro dei pupilli di Lawrence, il chimico nucleare Glenn T. Seaborg (1912-1999), ottenne finanziamenti per costruire un laboratorio per la manipolazione di sostanze chimiche altamente radioattive, in modo da utilizzare i lavori effettuati in tempo di guerra sulla chimica del plutonio al fine di studiare gli elementi transuranici.
Gli acceleratori sincroni ebbero un immediato successo e proliferarono acceleratori di ogni tipo. Nel novembre 1946, il sincrociclotrone recentemente modificato accelerò deutoni a 200 MeV. Mentre McMillan proseguiva con i lavori sul suo apparecchio da 300 MeV, in Inghilterra Frank G. Goward e Joshua E. Barnes al Woolwich Arsenal completarono nel 1946 il primo sincrotrone, un apparecchio per elettroni a 8 MeV; l'anno successivo, venne costruito da H.C. Pollack al General Electric Co. Research Laboratory un elettrosincrotrone a 70 MeV. A questo punto, il flusso dei finanziamenti per la ricerca postbellica si era assestato su quelli a favore degli acceleratori, erogati dall'Atomic Energy Commission e dall'Office of Naval Research. Grazie a questa generosità, furono costruiti sincrociclotroni all'Harvard University, alla Columbia University, a Chicago, a Rochester, e al Carnegie Institute of Technology oltre che nelle Università del Michigan, di Purdue, di Cornell, al Massachusetts Institute of Technology (MIT) e a Oxford. Dal 1946 al 1949, furono realizzati numerosi studi teorici sulla stabilità di fase e sulla stabilità orbitale, e fu ampiamente compresa la dinamica del moto delle particelle.
Le conoscenze del periodo arrivarono al loro culmine con la costruzione, nel 1954, del sincrotrone a 350 MeV presso la University of Glasgow, che includeva tutte le migliori caratteristiche dei precedenti apparecchi. A questo punto, la serie di acceleratori negli Stati Uniti poteva vantare anche il 'Betatron' della University of Illinois (un acceleratore ciclico che accelerava le particelle fino alle alte energie utilizzando l'induzione magnetica) oltre a un numero di apparecchi di dimensioni più ridotte, per la maggior parte ciclotroni, nelle università di tutto il paese.
La costruzione di acceleratori ricevette un impulso notevole e quindi si espanse quando la ricerca su un nuovo tipo di particella elementare, utilizzata per giustificare la necessità di apparecchi più grandi, accrebbe il mistero della natura fondamentale della materia, producendo non una, bensì due nuove particelle. Nonostante i ricercatori di raggi cosmici avessero identificato queste particelle ‒ il pione e il muone ‒ prima che potessero essere progettati rivelatori adeguati per il sincrociclotrone di Berkeley, dopo la scoperta, i fisici di Berkeley si trovarono in una posizione altamente invidiabile; le stime infatti posizionavano la produzione di pioni entro l'intervallo di energie raggiungibili dalla macchina.
In particolare, i ricercatori di Berkeley erano eccitati dalla possibilità di progettare un modo per creare pioni che potessero decadere in muoni, in maniera da ottenere uno strumento unico per l'esplorazione dettagliata sia dei muoni sia dei pioni (collettivamente chiamati mesoni).
Con il progredire di questo lavoro, tre schemi particolarmente ambiziosi prendevano forma, per raggiungere energie addirittura maggiori. Dopo un corso di progettazione di acceleratori per ingegneri tenutosi nell'estate del 1946, William Brobeck ideò un apparecchio a 10 GeV per protoni che sperava di poter costruire a Berkeley. Quando Isidor Isaac Rabi vide il progetto, si mostrò ben deciso nel voler assicurare la migliore reputazione scientifica possibile al Brookhaven, un laboratorio che aveva contribuito a fondare, esattamente dopo la guerra, a Long Island. Su insistenza di Rabi, nell'agosto del 1947, i fisici del Brookhaven accantonarono i piani per un più modesto progetto ‒ un sincrociclotrone da 500 MeV ‒ e iniziarono invece a predisporre i piani per il loro apparecchio sincrono a 10 GeV. La mania di costruire acceleratori sempre più grandi non rappresentò un fenomeno puramente americano: Marcus Oliphant (1901-1998), che aveva visitato Berkeley durante la guerra e studiato la stabilità di fase, aveva già iniziato la pianificazione di un apparecchio a 1,3 GeV da costruire a Birmingham, in Inghilterra, dove i piani preliminari per un apparecchio con un magnete ad anello erano stati predisposti nel 1943.
Nonostante le stime indicassero la massa del muone entro il range del sincrociclotrone di Berkeley, gli scettici mettevano in dubbio la sua possibilità di produrre il pione più massivo. Spronato dallo spirito di competizione ‒ si prevedeva che l'apparecchio di Birmingham potesse iniziare a essere attivo nel 1949 ‒ nell'autunno di quell'anno Lawrence iniziò accortamente a pianificare la sua richiesta di un ulteriore acceleratore, ben deciso a tracciare la via più diretta per ottimizzare la capacità di ricerca. A questo punto, egli aveva già abbandonato i piani di prosecuzione dello sviluppo dell'acceleratore lineare di Alvarez, poiché i sincrotroni apparivano come la strada migliore per ottenere energie più elevate; aveva anche deciso di ridurre l'energia massima del progetto di protosincrotrone che Brobeck stava sviluppando, immaginandosi che l'Atomic Energy Commission avrebbe ostacolato la spesa per un apparecchio a 10 GeV. Considerò successivamente un'energia massima di 5 GeV, ma decise poi per 6 GeV su suggerimento di McMillan e Panofsky, i quali sostenevano che l'apparecchio a questa energia avrebbe potuto produrre antiprotoni.
Nonostante la riduzione di energia che si era autoimposto, Lawrence incontrò la resistenza del potente General Advisory Committee dell'Atomic Energy Commission quando sottopose la richiesta di 9,6 milioni di dollari nel novembre del 1947. I membri del Committee si preoccupavano che la richiesta potesse essere prematura, visto che apparecchi a più bassa energia non erano stati ancora completati, e si chiedevano se fosse saggio finanziare un progetto tanto vasto per quella che secondo loro era una struttura universitaria. Alla luce di tali preoccupazioni, Rabi bloccò la richiesta.
Nei mesi seguenti, Berkeley e Brookhaven riuscirono a ottenere un accordo per apparecchi nel range di 2-6 GeV, dando dimostrazione di quello che sarebbe divenuto un tipico fenomeno americano: un approccio competitivo all'arma bianca (bare-knuckle) per il raggiungimento delle massime energie (e di conseguenza dei massimi riconoscimenti e status nella ricerca) muovendosi tra il successo nella ricerca e la magnanimità federale. Ben presto, i ricercatori americani ebbero la possibilità di ottenere risultati importanti. Come evidenziato negli atti di una riunione del febbraio del 1948, il General Advisory Committee, a questo punto, era stato persuaso ad approvare "la politica di estensione del range degli acceleratori di particelle verso un range di Volt multimiliardario". Ma chi sarebbe stato autorizzato a costruire un apparecchio talmente dispendioso? Rabi promosse gli interessi di Brookhaven, Seaborg si interessò per Berkeley.
Enrico Fermi (1901-1954) affermò che soltanto uno dei nuovi dispendiosi strumenti era necessario, ma spianò la strada per accontentare entrambi i laboratori, facendo notare che se fosse stato finanziato un solo acceleratore il morale del laboratorio escluso ne avrebbe sofferto. Alla fine, il gruppo decise che vi erano fondi sufficienti per attribuire un premio a entrambi i laboratori; il gruppo raccomandò "che si costruissero due apparecchi predisposti per energie massime sostanzialmente differenti e che le energie e i siti dovessero essere determinati come risultato di consultazioni tra i laboratori" e i rappresentanti dell'Atomic Energy Commission. Nonostante questa raccomandazione fosse "accettabile per entrambi i laboratori", come riportato in un rapporto di avanzamento di Brookhaven del 1948, la rilevante questione di chi dovesse possedere l'apparecchio con energia più elevata si sarebbe dovuta risolvere nell'ambito della comunità scientifica.
Appena il General Advisory Commettee consegnò le raccomandazioni in febbraio, i fisici di Berkeley annunciarono che il sincrociclotrone da 184 pollici, aggiornato per produrre particelle alfa a 380 MeV, aveva prodotto con successo i pioni, che erano stati individuati utilizzando una tecnica a emulsione di nuovo perfezionamento. Esattamente a questo punto, l'Atomic Energy Commission convocò un incontro a Berkeley con i ricercatori di Berkeley e Brookhaven. I rappresentanti della Commissione acuirono la competizione sottolineando il fatto che c'erano fondi per un apparecchio a 2-3 GeV e uno a 6-7 GeV. Nonostante entrambi i gruppi volessero l'apparecchio più grande, alla fine i ricercatori di Brookhaven optarono per la costruzione di un acceleratore a 2,5 GeV, sottolineando che tale decisione non avrebbe dovuto pregiudicare la loro opportunità di costruire in seguito un apparecchio nel range di 10 GeV.
Anche se Rabi rimase profondamente deluso, gli altri scienziati di Brookhaven vedevano numerosi vantaggi nella costruzione dell'apparecchio di minore energia. Quest'ultimo poteva essere realizzato più velocemente e avrebbe fornito l'energia necessaria per studi più approfonditi sui mesoni, inclusa la produzione di coppie di pioni, permettendo successive indagini sulle forze nucleari. I ricercatori di Brookhaven, che erano relativamente nuovi nell'ambito del business degli acceleratori, volevano anche gettare le basi per una futura cooperazione sia con Berkeley sia con l'Atomic Energy Commission. Inoltre, la costruzione di un apparecchio più piccolo offriva il vantaggio di attribuire un prestigio immediato alla struttura di Long Island, poiché i ricercatori di Brookhaven avrebbero ottenuto il primato per gli Stati Uniti sui rivali britannici di Birmingham.
Con il suo tipico zelo, Lawrence colse l'opportunità di estendere il range di energia dell'apparecchio di Berkeley. In una proposta del marzo 1948 richiese un apparecchio a 6-7 GeV e appena un mese dopo l'Atomic Energy Commission diede il proprio assenso. Nell'accordo finale, Brookhaven avrebbe costruito un apparecchio a 3 GeV (successivamente chiamato Cosmotron), mentre Berkeley ne avrebbe costruito uno a 6-7 GeV (successivamente chiamato Bevatron).
Mentre si concordava la soluzione di cui si è parlato, i risultati scientifici dei primi apparecchi sincroni destarono ulteriore interesse nell'uso degli acceleratori. Poco dopo l'ottenimento dei primi pioni prodotti dall'uomo, i ricercatori di Berkeley misurarono accuratamente le masse sia del pione sia del muone con il sincrociclotrone; successivamente, nel corso del 1948, l'elettrosincrotrone raggiunse energie di 335 MeV. Con questi apparecchi i ricercatori condussero numerosi importanti esperimenti, inclusa la produzione del pione neutro, la prima particella elementare scoperta grazie a un acceleratore.
Nel corso della costruzione dei grandi sincrotroni a Berkeley e Brookhaven, gli eventi mondiali spingevano nuovamente in direzione di una pianificazione atta a convertire gli acceleratori ‒ così come altri strumenti scientifici ‒ in strumenti di guerra. Era un periodo tumultuoso: nell'agosto del 1949 fu fatta detonare la prima bomba atomica sovietica; nel giugno del 1950 iniziò la guerra di Corea. Alla notizia della bomba sovietica, Lawrence e gli altri del suo gruppo rivolsero velocemente la loro attenzione alle preoccupazioni riguardanti la sicurezza nazionale. Edward Teller promosse con fermezza il suo schema per la costruzione di una bomba all'idrogeno; per facilitare questo compito, Lawrence propose la costruzione di un reattore ad acqua pesante per produrre trizio e mise Alvarez a capo del progetto. Nonostante l'Atomic Energy Commission avesse rifiutato la proposta del reattore di Lawrence che aveva lo scopo di proseguire il consolidamento del lavoro sui reattori all'Argonne National Laboratory, sotto la direzione di Walter Zinn, Lawrence non si diede per vinto. Subito pianificò con passione un progetto alternativo, al quale fu attribuito il nome in codice di Materials Testing Accelerator. Tale progetto aveva, come parte fondamentale, un gigantesco acceleratore, che era stato progettato per ottenere un'intensità del fascio un milione di volte superiore rispetto al sincrociclotrone. Lawrence stimava che sarebbe costato 100-150 milioni di dollari, vale a dire una spesa dieci volte superiore rispetto ai grandi sincrotroni proposti per la ricerca.
L'idea di Lawrence consisteva nella creazione di una 'fontana di neutroni' che potesse permettere la sintesi del trizio e la ricostituzione delle riserve di materiale fissile che si consumavano. Per raggiungere l'obiettivo, egli propose di costruire un acceleratore lineare enorme, che avrebbe accelerato i deutoni ad altissime intensità, per creare neutroni che, colpendo per esempio uranio-238 impoverito, creassero a loro volta plutonio fissile. Il giorno di Natale del 1950, sottopose una proposta per un prototipo a 25 MeV; voleva anche costruire un acceleratore più grande, in grado di fornire deutoni a 350 MeV e produrre un grammo di neutroni al giorno. Dopo l'approvazione da parte del presidente Harry S. Truman dei piani per la bomba all'idrogeno nel gennaio del 1950, l'Atomic Energy Commission autorizzò i progetti del prototipo di acceleratore, e dopo l'inizio della guerra di Corea, i membri della Commissione approvarono i piani per un più grande apparecchio, che avrebbe prodotto sia trizio sia plutonio. Lawrence avrebbe continuato a promuovere il progetto per il gigantesco acceleratore a 335 MeV.
Il prototipo di acceleratore fu costruito infine con successo ed entrò in funzione, ma i progetti per i due apparecchi più grandi furono scartati, in larga parte perché altre modalità per l'ottenimento di materiale fissile apparivano più sicure e meno dispendiose. Il Materials Testing Accelerator lasciò, comunque, una considerevole eredità. Il prototipo di acceleratore era stato costruito nel luogo dove precedentemente si trovava la stazione aerea navale ausiliaria di Livermore, a 45 miglia ca. da Berkeley. Nel giugno del 1952 l'Atomic Energy Commission fondò il laboratorio di armamenti di Livermore. Nonostante avesse cominciato a operare come laboratorio per un progetto di acceleratore gigante, Livermore sarebbe diventato ciò che Teller definiva "sana competizione" per i laboratori di armamenti di Los Alamos. Il nuovo laboratorio operò come un reparto del laboratorio di Lawrence a Berkeley fino al 1971.
Teller trasferì il suo lavoro sulla bomba all'idrogeno a Livermore, dove venne anche trasferita dal laboratorio principale la maggior parte dei progetti applicativi, inclusa una varietà di progetti per armamenti, lavori su razzi nucleari, applicazioni pacifiche degli esplosivi ed esplosioni termonucleari controllate.
Ironicamente, il tentativo di Lawrence di rimobilitarsi in difesa della sicurezza nazionale privò il suo laboratorio di Berkeley della maggior parte delle attività segrete. Ancora più ironicamente, l'acceleratore pensato per le applicazioni militari arricchì anche, in maniera considerevole, la tecnologia nel campo degli acceleratori per la ricerca. Per costruire il prototipo di acceleratore, i ricercatori dovettero mantenere un vuoto molto spinto e costruire una sorgente di ioni in grado di produrre deutoni o protoni che fossero collimati precisamente ad alta potenza. Oltre allo sviluppo del ciclotrone a settori, questo lavoro nel campo dell'ingegneria delle alte frequenze e alte potenze aiutò lo sviluppo del Bevatron, consentendogli in particolare di raggiungere energie più elevate.
Tuttavia, l'eredità più importante del Materials Testing Accelerator fu di favorire il finanziamento degli acceleratori. La volontà di Lawrence di rimobilitarsi e la sua insistenza per utilizzare nuovamente gli acceleratori per applicazioni militari rinforzò l'idea che essi costituissero una parte naturale e utile dell'arsenale degli Stati Uniti, proprio nel momento in cui il budget dell'area ricerca e sviluppo dell'Atomic Energy Commission stava aumentando, grazie alle crescenti minacce della guerra fredda. Anche se la National Science Foundation sarebbe stata lo sponsor più logico per la ricerca basata sugli acceleratori, i tentativi di trasferire gli acceleratori dal budget della Commissione per inserirli in quello della Fondazione fallirono. La cultura americana aveva a lungo teso verso un'ostentazione tecnologica audace ed espansiva; allorché la guerra fredda fosse diventata più calda, questa tendenza avrebbe favorito i costruttori di acceleratori, che avevano ora ampi mezzi finanziari per realizzare i loro sogni di apparecchi sempre più grandi e più potenti.
Il periodo 1952-1960
Mentre gli eventi politici contribuivano a incrementare la portata dei finanziamenti per gli acceleratori più grandi, gli sviluppi scientifici davano impulso all'aumento del potenziale per la ricerca di tali apparecchi. Prima che il Cosmotron e il Bevatron iniziassero a operare, i ricercatori di raggi cosmici avevano l'accesso esclusivo alle particelle nel range di energia fuori della portata dei primi sincrotroni, un range di energia che iniziò a produrre risultati eccitanti. Particolarmente interessanti erano le particelle 'strane', così chiamate a causa della loro vita media sorprendentemente lunga e della loro abbondante produzione. Abraham Pais (1918-2000) all'Institute for Advanced Study di Princeton e numerosi teorici giapponesi, tra cui Kazuhiko Nishijima e Yoichiro Nambu, fornirono una tesi comune, succesivamente nota come produzione associata.
Quest'ultima spiega che il processo di interazione forte che genera una particella strana dà sempre come risultato coppie di particelle strane (una strana e una antistrana), in quanto una singola particella strana non può essere creata senza violare la conservazione della stranezza. Una particella con un singolo quark strano non può quindi decadere mediante l'interazione forte. Di contro, le particelle strane sopravvivono fino a quando non siano interessate dalla molto più lenta interazione debole, che, diversamente dalla forte, non rispetta le leggi di conservazione della stranezza.
La produzione associata spiegava le particelle strane, la loro lunga vita media e il fatto che esse fossero prodotte dall'interazione forte soltanto a coppie. In ogni caso, i nuovi risultati contenevano altri misteri. In particolare, alcuni processi non proibiti non sembravano realizzarsi e vi era la necessità di regole più dettagliate. Nel 1953 Nishijima e Tadao Nakano, e indipendentemente Murray Gell-Mann, introdussero un nuovo numero quantico che forniva tali regole; l'idea che governa l'assegnazione dei numeri quantici è che le simmetrie che definiscono la classificazione riflettono le sottostanti dinamiche delle particelle elementari. Dopo l'annuncio di questa potente ed elegante ipotesi e la produzione da parte dei ricercatori di raggi cosmici di una grande quantità di nuovi dati grazie a emulsioni nucleari evolute, i teorici focalizzarono entusiasticamente la loro attenzione sulle particelle strane e il resto della comunità scientifica rimase in trepidante attesa della scoperta di nuove informazioni sulla natura fondamentale della materia.
Proprio in questo frangente, gli acceleratori fornirono i mezzi per un'investigazione efficiente. Nel 1952 il Cosmotron iniziò a operare a Brookhaven, accelerando protoni prima a 2,2 GeV e successivamente a 3 GeV. Nonostante fosse stato costruito con l'idea di esplorare la fisica dei mesoni, il Cosmotron fornì un inaspettato dividendo ‒ esso poteva creare particelle strane. Dopo che Ralph P. Shutt ebbe escogitato una nuova camera a nebbia a diffusione ad alta pressione, continuamente sensibile, nei primi due anni di attività del Cosmotron i ricercatori di Brookhaven realizzarono 150.000 ca. fotografie di eventi e confermarono l'ipotesi della produzione associata. In questa fase essi trovarono anche altri tipi di particelle strane; inoltre i ricercatori di Brookhaven misurarono e identificarono le loro proprietà.
I ricercatori di Berkeley si associarono subito all'entusiasmo. Nel 1954 il Bevatron iniziò ad accelerare i protoni a 6,2 GeV; prima della fine dell'anno, aveva prodotto un fascio misto di pioni e kaoni, mesoni caratterizzati da numeri quantici di stranezza non nulli. I fisici avevano ora uno strumento ancora più potente per esplorare le particelle fondamentali. I risultati della loro ricerca si moltiplicavano: nel 1955 fu scoperto l'antiprotone. Nei due decenni successivi, i fisici di Berkeley utilizzarono il Bevatron anche per scoprire dozzine di particelle; inoltre, furono velocemente in grado di effettuare misurazioni accurate e dettagliate delle masse dei kaoni e della loro vita media.
Tra le altre scoperte, questi studi confermarono le previsioni effettuate in base al numero quantico di stranezza. Tale lavoro fu facilitato dallo sviluppo di nuove potenti tecnologie di rivelazione, inclusa la camera a bolle da 72 pollici all'idrogeno liquido di Alvarez.
Scoperte emozionanti aumentarono il desiderio di sviluppare gli acceleratori. Fortunatamente per i futuri costruttori di questi dispositivi, l'industria americana fu in grado di fornire loro un supporto mai concesso prima: oltre ad abbondanti forniture di materiali grezzi, quale l'acciaio per i magneti, con l'espansione delle industrie della radio e della televisione si rese disponibile, durante tutto il decennio, una crescente varietà di componenti elettronici. Anche alcune attrezzature specializzate, quali gli oscilloscopi, furono accessibili commercialmente.
Su questo terreno fertile fiorì la costruzione di acceleratori negli Stati Uniti. In un periodo in cui ogni università americana, anche di modeste dimensioni, avanzava richieste al fine di ottenere fondi per costruire un acceleratore, il gruppo di acceleratori degli Stati Uniti divenne sempre più numeroso e nel 1960, circa 20 università possedevano apparecchi capaci di accelerare le particelle oltre i 50 MeV. Con la richiesta di acceleratori ancora più avanzati e la crescente complessità della loro progettazione, la costruzione degli acceleratori fu professionalizzata: alla metà degli anni Cinquanta i fisici americani degli acceleratori tenevano conferenze e facevano pubblicazioni separate e avevano una propria identità professionale.
Prima che il Cosmotron fosse pronto all'uso, a Brookhaven c'era già fermento di idee per l'acceleratore successivo, che inizialmente venne pianificato come un protosincrotrone a 10 GeV. Tali piani vennero spronati da una visita programmata di scienziati europei che progettavano un grande apparecchio per un laboratorio di nuova creazione, l'attuale CERN. Il ricercatore Stanley Livingston di Brookhaven decise di organizzare, a beneficio dei visitatori europei, un gruppo per una sessione di brainstorming sulle idee per il miglioramento della progettazione degli acceleratori. Livingston ebbe l'intuizione di riordinare il posizionamento dei magneti e, dopo il lavoro che ne scaturì, insieme a Ernest Courant e Hartland Synder escogitò un metodo completamente nuovo per accelerare le particelle, in modo che il fascio di particelle fosse focalizzato molto più efficacemente che nei precedenti apparecchi (successivamente, essi scoprirono che l'idea era stata proposta due anni prima in Grecia da Nicholas Christofilos).
Un apparecchio a focalizzazione forte, o a gradiente alternato, ha una serie di potenti lenti magnetiche basate su configurazioni di campo magnetico quadripolare, che focalizzano orizzontalmente defocalizzando verticalmente e poi focalizzano verticalmente defocalizzando orizzontalmente. L'effetto di focalizzazione finale confina il fascio in un'area più piccola, permettendo di avere un acceleratore assai meno costoso. In precedenza, sembrava che sincrotroni più potenti del Cosmotron e del Bevatron sarebbero stati proibitivamente dispendiosi; questa scoperta rese economicamente fattibili acceleratori di ben più alta potenza.
Stimolati da questa nuova idea, i progettisti di Brookhaven e del CERN iniziarono progettazioni per acceleratori di protoni a gradiente alternato nel range da 25 a 30 GeV. In linea con la loro percezione che a Brookhaven spettasse il successivo apparecchio ad alta energia poiché il laboratorio di New York aveva ceduto l'apparecchio a più alta energia a Berkeley nell'ultima tornata di negoziazioni, i ricercatori di Brookhaven presentarono all'Atomic Energy Commission la loro proposta per un apparecchio a 30 GeV.
Questa volta non ci fu alcuna risposta competitiva da Berkeley; dopo aver sentito della focalizzazione forte, i fisici di Berkeley fecero una progettazione di massima per un grande sincrotrone a focalizzazione forte. Ulteriori pianificazioni dettagliate vennero però fermate dal dirottamento delle risorse verso l'ambizioso programma di ricerca sul Bevatron, dalla preferenza di Lawrence per acceleratori più piccoli e per le loro applicazioni, e dallo scetticismo, condiviso da molti nella comunità dei fisici, circa la fattibilità della focalizzazione forte per grandi apparecchi a protoni. Ci sarebbe invece stata competizione con il CERN: nel 1954 l'Atomic Energy Commission autorizzò i piani di Brookhaven per il sincrotone a gradiente alternato (AGS) e in questo periodo anche al CERN i piani in corso erano di progettare e costruire un simile apparecchio a 30 GeV.
Vi era una moltitudine di nuove idee e piani per la costruzione di apparecchi più grandi e migliori. Verso la fine del 1952 Toshio Kitagaki in Giappone e Milton White a Princeton proposero l'uno indipendentemente dall'altro, l'idea per abbattere i costi del magnete a 'funzione separata'; essa consisteva nell'utilizzazione di un più economico fascio a dipolo, in aggiunta al quadrupolo standard, per deviare il fascio. Mentre i piani per i grandi acceleratori a focalizzazione forte procedevano, nel 1954 Robert Wilson e altri al Newman Laboratory of Nuclear Science di Cornell costruirono e resero operativo il primo apparecchio a focalizzazione forte. L'avvento dell'elettrosincrotone a 1,3 GeV avrebbe dato il via nei due decenni successivi allo sviluppo a Cornell di una serie di acceleratori circolari a elettroni di crescente energia.
Nel frattempo, anche i ricercatori dell'Argonne National Laboratory proposero di costruire il sincrotrone a gradiente zero, un apparecchio a focalizzazione debole escogitato, almeno in parte, per battere i russi, che stavano costruendo un apparecchio a 10 GeV. Sebbene l'apparecchio, autorizzato dall'Atomic Energy Commission nel 1955, incontrasse limitazioni in una comunità scientifica dominata da energie crescenti e da concorrenti nel campo della focalizzazione forte, esso segnò l'inizio della costruzione di acceleratori di grandi dimensioni in un altro laboratorio della Commissione.
Numerosi sviluppi giunsero da un gruppo di ricercatori del Midwest, la Midwestern Universities Research Association. Keith Symon mise a punto uno schema per realizzare la focalizzazione forte, che permetteva l'utilizzazione di magneti statici a corrente diretta e una più alta intensità del fascio. Inoltre, Symon e Andrew Sessler svilupparono una teoria di vasta portata sul moto delle particelle, stabilendo la possibilità di 'impilare' fasci di particelle accelerate in successione, in modo da ottenere una corrente di fascio a più alta energia e a intensa circolazione.
Attraverso questa scoperta, Donald Kerst si rese conto che era possibile ottenere densità di particelle sufficienti a realizzare pratici sistemi di fasci in collisione. Nonostante l'acceleratore successivamente proposto dalla Midwestern Universities Research Association, il sincrotone a gradiente alternato a campo fisso (FFAG), non sia mai stato realizzato, i progettisti della Midwestern Universities Research Association diedero altri contributi, come l'applicazione del computer digitale alla progettazione degli acceleratori e fecero moltissimi progressi nella comprensione della meccanica dei fasci di particelle. Nello stesso periodo di tempo nel quale emergevano le idee sul fascio collidente della Midwestern Universities Research Association, l'idea di avere un anello di accumulazione separato con un campo di guida costante venne proposta a Princeton da Gerard O'Neill, e indipendentemente, da Brobeck a Berkeley e da Roger Newton, da Donald Lichtenberg e da Marc Ross dell'Associazione. Il lavoro di O'Neill avrebbe dato inizio a uno sforzo a più lungo termine in questo settore.
Nonostante nei tardi anni Quaranta e primi anni Cinquanta l'attenzione si concentrasse sullo sviluppo di acceleratori di protoni circolari, furono realizzati progressi anche per gli acceleratori lineari. Al tempo in cui Alvarez e Panofsky svilupparono il progetto sull'acceleratore lineare di protoni, William Hansen aveva già lavorato per oltre un decennio insieme ad altri a Stanford sugli acceleratori lineari di elettroni. Alla fine della guerra, Hansen, Edward L. Ginzton e altri iniziarono ad apportare miglioramenti allo sviluppo prebellico del Klystron, un dispositivo che usa cavità risonanti e campi elettrici per accumulare elettroni, variando le loro velocità e trasferendo energia.
Il loro programma si muoveva lungo due direzioni, includendo lo sviluppo di guide d'onda per accelerare gli elettroni alle frequenze delle microonde e la realizzazione di Klystron di potenza adatti a operare a queste frequenze. Dopo la morte di Hansen nel 1949, questo lavoro fu proseguito da Ginston, e successivamente da Panofsky nel futuro Stanford Linear Accelerator Center, e diede come risultato una serie di acceleratori lineari di elettroni di potenza, lunghezza, ed energia di uscita crescenti. Questi acceleratori furono utilizzati per numerosi progetti, incluso l'ambizioso programma di Robert Hofstadter per misurare la forma e il valore del momento magnetico di nucleone e le distribuzioni di carica grazie alla diffusione degli elettroni.
Alla metà degli anni Cinquanta, gli acceleratori venivano anche utilizzati per ricerche di alto profilo con elementi transuranici. Nel 1955, per esempio, il chimico nucleare Albert Ghiorso e i suoi colleghi del laboratorio di Lawrence a Berkeley prepararono un sottile bersaglio di un isotopo di Einsteinio raro e di vita media breve, 253Es, e lo irradiarono con ioni di elio prodotti con il ciclotrone da 60 pollici del laboratorio. Essi successivamente produssero per la prima volta il Mendelevio (elemento 101) effettuando una separazione chimica e successivamente identificando 17 atomi del nuovo elemento, un atomo alla volta. Questo programma di ricerca progredì grazie alla costruzione dell'heavy ion linear accelerator (HILAC), un apparecchio che era stato inizialmente suggerito da Alvarez.
Quando nel 1957 l'HILAC fu completato, Ghiorso e altri trovarono le prove dell'elemento 102, chiamato Nobelio da un gruppo che aveva annunciato precedentemente, nel corso dello stesso anno, la sua scoperta all'Istituto Nobel di fisica di Stoccolma (questo gruppo includeva ricercatori internazionali, tra cui scienziati dell'Argonne National Laboratory). Alla fine degli anni Cinquanta, Panofksy stava entusiasticamente pianificando un acceleratore da due miglia, 30 volte più lungo del precedente apparecchio di Stanford. Per la operatività di questo nuovo apparecchio fu realizzata a Stanford una struttura enorme, lo Stanford Linear Accelerator Center; l'Atomic Energy Commission avrebbe avuto ancora un altro laboratorio per la costruzione di grandi acceleratori. Alla metà degli anni Sessanta, nella comunità dei costruttori di acceleratori circolava la notizia che gli apparecchi a focalizzazione forte del CERN e di Brookhaven producevano fasci più facili da utilizzare e di maggiore intensità del previsto.
La notizia spronò gli sforzi a Berkeley e altrove per produrre progetti di sincrotroni a focalizzazione forte ancora più grandi, nel range di 100-300 GeV.
In questo periodo, la costruzione di acceleratori diventò un settore in continua crescita. L'espansione degli acceleratori dell'Atomic Energy Commission fu impressionante. Fin dai primi anni Cinquanta, quando il Cosmotron a 3 GeV e il Bevatron a 6,2 GeV furono costruiti a un costo di circa 10 milioni di dollari ognuno, la Commissione aveva anche dato il suo assenso a costruire due protosincrotroni, lo ZGS da 12,5 GeV per 27 milioni di dollari e l'AGS da 33 GeV per 30 milioni di dollari e nel 1961 avrebbe aggiunto al suo programma l'acceleratore lineare a elettroni da 20 GeV presso lo Stanford Linear Accelerator Center, che sarebbe costato 100 milioni di dollari.
I nuovi piani per il protosincrotrone nel range di 100-300 GeV, dopo aver completato i dettagli dei costi, arrivarono a centinaia di milioni di dollari e i concorrenti erano già pronti a osteggiare chi avrebbe ottenuto i fondi necessari. Non volendo restare indietro, altri paesi entrarono nel business dei grandi acceleratori; oltre all'apparecchio russo a 10 GeV e all'apparecchio a focalizzazione forte del CERN, 13 acceleratori più piccoli capaci di energie oltre 1 GeV erano in costruzione a livello mondiale. Sull'onda dell'entusiasmo americano, dei finanziamenti generosi per gli acceleratori negli Stati Uniti, derivanti dalle loro applicazioni belliche, e dell'esaltazione scientifica, gli acceleratori stavano proliferando e diventando più grandi, più potenti e più cari.