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Rivelazione di particelle
roberto spighi, Bologna 14 marzo 2011
7th International Masterclasses 2011
Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group con la partecipazione della sezione INFN di Bologna
Barcellona, Bologna, Dresda, Orsay, Rechovot, Rostock
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L’importanza dello studio delle particelle
Perchè usare acceleratori sempre più potenti
Rivelazione delle particelle
Riconoscimento di eventi particolari
Indice
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ATOMO 10-10 m(0.1 miliardesimo di metro)
elettrone
Protoni e neutroni
BohrRutherford
conoscere ciò che ci circonda
Tutta la materia che ci circonda è fatta di atomi
Sono i costituenti ultimi?
NUCLEO 10-14 m
Si può andare ancora nel più piccolo?
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Per vedere il mondo microscopico non possiamo usare gli occhi Ci dobbiamo servire di altri
strumentibacchetta sottile
bastone grosso
riconosco parti con dimensioni ~ sezione della bacchetta
Testa, occhi, naso ...
Corpo
studiare il mondo senza vederlo
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Perchè gli acceleratori?Per vedere le particelle devo avere “bacchette” piccolissime
Particelle stesse
λ~ 1/p p è la quantità di moto (proporzionale all’energia)
dualismo onda-corpuscolo: le particelle si comportano come onde e la loro dimensione è la lunghezza d’onda associata
λ PICCOLA
ACCELERATORI PIU’ POTENTI SONO PIU’ VEDONO IL
PICCOLO
particelle con GRANDE ENERGIA
Se voglio vedere oggetti piccoli
λ
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N
+-100 V
E=100 eV
Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare
Acceleratori: come funzionano
particelle prodotte riscaldando filamenti (elettroni) o per ionizzazione (es H senza e- = protone) o con urti (antiparticelle)
particelle corrono dentro dei tubi
S
Traiettorie circolari
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I primi acceleratori
Sorgente di particelle
+ ++
- --
Acceleratore lineare Acceleratore circolare
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Acceleratori: a bersaglio fisso e collider
Bersaglio fisso
Collider
Acceleratore
E = mc2
Energia materia (particelle)
bersaglio
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LHCCERN (GINEVRA) 27 KM CIRC.
Bunch 1011 protoni
2010: 3•106 urti/s
E = 7 TeV (~ eurostar a 200 km/h)
CERN
Bunch 1011 protoni
Beam pipe
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I 4 esperimenti di LHC
ATLAS
CMSALICE
LHC-B
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UN URTO AD LHC
Centinaio di particelle prodotte: ricostruirle e riconoscerle apparati molto grandi separo le varie particelle
struttura a “cipolla” in ogni strato lasciano un segnale
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rivelatori di particelle
Posizione Direzione del moto Energia/impulso tempo di vita
Tipo di particella
Cosa dobbiamo sapere di ogni particella?
Identificazione
cinematica tracciatori
TUTTO !! Beam pipe e protoni
impulso identificazione evento
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Tracciatori e rivelatori di verticela rivelazione delle particelle si basa sugli effetti
prodotti dal loro passaggio nella materia
Particelle cariche: se attraversano un mezzo incontrano atomi forza di Coulomb
Ionizzano
Segnale elettrico
Filo carico +
+
+
+
+
+
+Mezzo (gas o anche solido)
+
+
+
+
+
+
Ricostruita la traiettoria della particella
+
-
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ATLAS: Tracciatori e rivelatori di vertice
~80 milioni di pixels
Tracce distinte fino a 0.2 mmPrecisione sul vertice = 15 μm
Rivelatori Si a semi-conduttore
Pixel
Strip
50 x 400 μm
80 μm x 6.4 cm
Camere a drift
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Misura dell’impulso (o quantità di moto)Fatto dal tracciatore con il campo
magneticoF qv B r rr Forza di lorentz: tra una carica ed
un campo magnetico si esercita una forzamvrqB
Raggio di curvatura
modulo dell’impulso mv e la carica q N
Impulso maggiore (+)Impulso
minore (+)
Carica opposta -
S
rivelazione
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I magneti superconduttori di ATLAS
solenoide B = 2 TeslaRaggio ~ 1 m
toroideB = ~0.5 TeslaRaggi ~ 9 e 20 mLungh ~ 25 m
Toroide frontale
Toroide dall’alto
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Il riconoscimento delle particelle
Parte interna dedicata al tracciamento
Parte esterna dedicata al riconoscimento (ed anche al tracciamento)
Calorimetri
Elettromagnetico
Adronico
Rivelatori di muoni
Particella viaggia ~ indisturbata
Particelle ~ “distrutte” collidono con materiali densi
rivelazione
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Il calorimetro elettromagnetico
Piombo
strati di materiale denso alternati a strati di rivelatore di γ effetto a catena (sciame em) particelle perdono energia sciame si esaurisce
...e±, γ
Pb
scintillatore
Raccolta la luce ≈ energia particella iniziale
bremstrahlung
Calorimetri riconoscere e± ,γ
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p, n, π urtano atomi
del calorimetro creano
altre particelle
Il calorimetro adronicoRiconoscere p, n e π (protoni, neutroni, pioni) e misura energia
P, n , π
strati di Fe alternati a strati di rivelatore
Sciame adronico
Sciame elettromagnetico
...
Inizia dopo
Più aperto
Meno simmetrico
calorimetri
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rivelatori di muoniRivela muoni e ne misura l’impulso (con il magnete toroide)
Muoni sono “poco interagenti” se attraversano materiali perdono poca energia ~unici ad arrivare a questo rivelatore
Rivelatore più esterno e più grande (~22 m di diametro)
“botte” a più strati con 2 tappi laterali
“tappo”
MDT Monitor drift tubes
ricostruiamo le particelle più importanti
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Ricostruzione delle particelle
https://kjende.web.cern.ch/kjende/it/wpath_teilchenid1.htm
Per vedere il programma interattivo sulla ricostruzione delle particelle, collegarsi all’indirizzo
All’interno del sito delle Masterclass
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Riconoscimento delle principali particelle
ElettroniPositroni
muoni
gamma
jets
pioni
neutrini
Tracciatore
Calorimetro em
Tutti
Tracciatore
Calorimetro adr
Calorimetro em
Tracciatore
Calorimetri
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Ricostruzione degli eventi
W+ μ+ νW- μ- ν
W+ e+ νW- e- ν
Riconoscere μ e ν
Fondo: Z0 e+ e- , μ+μ-
alcuni eventi simulati H W+W-
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evento
μ e la carica ? click su traccia
visione trasversa
visione longitudinale
Energia mancante 52 GeV opposta al μ ν
W+ μ+ ν
MuonSegment index: 2Φ = 112.284°
InDetTrack index: 1 PT=41.519 GeV η = -0.870 Φ = 114.868° Px=-17.460 GeV Py=37.669 GeV Pz=-40.846 GeV
atlas
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evento
e- (carica = al segno di pT)
Energia mancante
opposta al e- ν
W- e- ν
26
evento
jets
Energia mancante (piccola ~ 12 GeV)
fondo
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evento
μ+μ-
Energia mancante (piccola ~ 9 GeV)
Z0 μ+μ-fondo
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evento
e-
Energia mancante (~ 70 GeV)
μ+
H W+W-
μ+ν e-ν
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Conclusioni
questo è un bell’esercizio basato su dati veri
è la fisica di maggior interesse oggi
la tecnologia associata è al massimo livello di sviluppo
se deciderete di fare fisica vi accoglieremo
a braccia aperte
Grazie a tutti, studenti e professori
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Backup slides
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I numeri di LHC
Macchina più grande al mondo
27 km quasi tutti in Francia
protone fa 11000 giri/s
posto più freddo e più caldo dell’universo
magneti superconduttori -271 C = 1.9 K
nell’urto la “temperatura” è 1000 miliardi > T
sole
costi
tot 6 miliardi € (1 anno camera+senato ~ 2
miliardi €)
ITALIA ~700 milioni € ritorno di ~1.5 volte
700 ricercatori italiani coinvolti
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I primi acceleratori
Scoperte: muoni (1936), pioni, kaoni (1947), ...
particella
aria
urto
Stato finale
Raggi cosmici particelle provenienti dallo spazio
primo acceleratore costruito dall’uomo
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I primi rivelatori di particelle
CAMERE A BOLLE
Anni 50/70 fascio mandato dentro volume di gas foto
Camera a bolle
Particelle cariche ionizzano un liquido vicino all’ebollizione lasciando una scia di “bollicine” lungo la traiettoria
Bellissime perchè vedevi tutto, ma lente e non triggerabili ( foto quasi tutte vuote)
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Le particelle instabili
Particelle che sono create e dopo un tempo “piccolissimo” decadono in altre particelle
Es. 0Z
Tempo (s)0 3x10-25
Spazio (m)
0 10-18
0Z
Z0 non la vedo, ma se riconosco μ+μ- e misuro impulso
Riconosco Z0 e ricostruisco impulso