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Rivelatori di ParticelleRivelatori di Particelle

a.a. 2010-2011

Marisa Valdata

Da semplici idee Ad apparati complicati

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LezioneLezione 1.1.

ProgrammaProgramma

BibliografiaBibliografia

IntroduzioneIntroduzione

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PROGRAMMAPROGRAMMA• Introduzione• Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti• Interazione delle particelle con la materia

– Perdita di energia per ionizzazione– Scattering multiplo– Lunghezza di radiazione– Sciami elettromagnetici– Radiazione Cerenkov e di transizione

• Rivelatori di particelle– Rivelatori di posizione e tracciamento a gas e di silicio– Scintillatori organici ed inorganici,fotomoltiplicatori, fibre scintillanti– Calorimetria: calorimetri omogenei ed a sampling.– Identificazione di particelle: misure di dE/dx, tempi di volo, rivelatori

Cerenkov, rivelatori di radiazione di transizione.

Radiazioni ionizzanti: dosimetria, radioprotezione ed applicazioni mediche

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BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA

TESTI

• C. Grupen,Particle Detectors, Cambridge University Press, 1996• R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics,Cambridge

University Press, 1992• W.R.Leo, Tecniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,

Springer Verlang, 1994

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BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA …………

Altri utili testi:• Dan Green, The Physics of Particle Detectors, Cambridge

University Press,2000• Konrad Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, Cambridge

U.K.• Blum & Rolandi, Particle Detection with Drift Chambers, Springer

Verlang, 1994

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BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA …………

ARTICOLI DI RIVISTA:

• Experimental Tecniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editore),World Scientific, 1991

• Instrumentation in High Energy Physics, F.Sauli (Editore), World Scientific, 1992

ALTRI:

• Particle data Book (Phys. Rev. D)

• R. Bock, a. Vasilescu, Particle Data Briefbook http://www.cern.ch/Physics/ParticleDetector/Briefbook

• Proceedings di conferenze sugli apparati (Vienna VCI, Elba, IEEE)

• Introduction to radiation detectors and electronics (Helmut Spieler, Lecture Notes – Physics 198,Spring semester 1999- UC Berkeley)

http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes_1999/index.html

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Il piu’ vecchio rivelatore (di fotoni)…Il piu’ vecchio rivelatore (di fotoni)…

• Alta sensibilità ai fotoni

• Buona risoluzione spaziale

• Range dinamico molto largo (1:1014) + adattamento automatico della soglia

• Discriminazione in energia (lunghezza d’onda)

• Piuttosto lento (velocità di acquisizione +analisi ~10 Hz)

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Lastre fotograficheLastre fotografiche

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Tubo a raggi catodiciTubo a raggi catodici

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Tubo a raggi catodiciTubo a raggi catodici

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Progresso…..Progresso…..

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Un decadimento WUn decadimento W++WW-- in Aleph in Aleph

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Un evento simulato in ATLAS (CMS)Un evento simulato in ATLAS (CMS)HHZZ ZZ 44µµ

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IntroduzioneIntroduzione

La reazione e+e- → Zo →qq:

• Conosciamo le particelle interagenti (e+e-)

ACCELERATORI

• Per ricostruire la reazione e le proprietà delle particelle coinvolte la massima informazione sui prodotti finali (gli unici a noi accessibili)

APPARATI SPERIMENTALI

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IntroduzioneIntroduzione

Acceleratori:Acceleratori:

• Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni) Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni) PS, AGS, SPS ….

Anelli di Collisione (Colliders):Anelli di Collisione (Colliders):

• Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro LEP, LHC, Tevatron, LEP, LHC, Tevatron, PEPIIPEPII. .

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IntroduzioneIntroduzione

Apparati Sperimentali.Apparati Sperimentali.

Particelle incidenti:Particelle incidenti:• Elettroni,positroniElettroni,positroni• Protoni, antiprotoniProtoni, antiprotoni• Protoni protoniProtoni protoni• Elettroni, protoniElettroni, protoni

Prodotti finali:Prodotti finali:• Particelle caricheParticelle cariche• Particelle neutreParticelle neutre• FotoniFotoni• neutrinineutrini Esempio ColliderEsempio Collider

•Copertura di tutto l’angolo solido senza buchi e altamente segmentato•Misura dell’impulso e/o energia•Identificazione delle particelle finali•Rapido (senza tempo morto)Le particelle sono rivelate tramite le loro interazioni con la materia.Diversi processi fisici coinvolti (essenzialmente elettromagnetici)Osserviamo la ionizzazione ionizzazione e l’eccitazioneeccitazione della materia

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Definizioni ed unita’Definizioni ed unita’L’ L’ EnergiaEnergia è definita come: è definita come: EE22=p=p22cc22+m+moo

22cc44

• Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV)Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV)• Impulso p : si misura in eV/c (e suoi multipli)Impulso p : si misura in eV/c (e suoi multipli)

• Massa a riposo mMassa a riposo moo: si misura in eV/c: si misura in eV/c22

L’eV corrisponde all’energia ΔU guadagnata da un elettrone posto in una d.d.p. ΔV=1V

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Definizioni ed unita’Definizioni ed unita’

• MasseMasse– Elettrone (e) ~ 0.5 MeV– Muone () ~105 Mev– Pione () ~140 MeV– Protone e neutrone (p,n) ~938 MeV– Fotone e neutrino(,) ~0. MeV

• LunghezzeLunghezze– 1 μm (10-6 m) -risoluzione spaziale degli apparati– 1 nm (10-9 m) -lunghezza d’onda del verde (~500nm)– 1 Å (10-10 m) - dimensioni dell’atomo– 1 f (10-15 m) -dimensioni del nucleo

• TempiTempi– 1μs (10-6 s) deriva di 5 cm di un e in un gas (camere a a deriva– 1 ns (10-9 s) un fotone fa 30 cm in 1 ns (nel vuoto)– 1 ps (10-12 s) vita media di un mesone B

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Definizioni ed unita’Definizioni ed unita’

Spesso si usa:Spesso si usa:

In tali unità::

[E] = [p] = [m] = [t[E] = [p] = [m] = [t-1-1] = [x] = [x-1-1] = eV] = eV

Per passare dalle unità adimensionali a quelle dimensionali dobbiamo conoscere:• la velocita’ della luce c=3x10c=3x1088 m/s m/s e la costante di Plank h=6.62x10h=6.62x10-34-34 J s J s

(h/2(h/2)c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV )c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV ÅÅ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ricordando il principio d’indeterminazione x·x·(pc) = (h/2(pc) = (h/2) c ) c

• Per risolvere le dimensioni di un atomo (~Å 10-10m) servono energie ~KeV• Per vedere dentro un nucleo ( ~ f 10-15m) dobbiamo avere energie ≥ 200 MeV• Per distinguere i costituenti di un protone servono energie ~ GeV

1c

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Cinematica relativisticaCinematica relativistica

Formule base:

Valide anche nel caso non relativistico ~ 1+1/2 2 K=1/2 mv2 (per quanto riguarda l’energia

cinetica e la quantità di moto)

Energie (impulsi) sono classificati come segue: 11 non relativisticonon relativistico relativisticorelativistico 11 ultrarelativistico (in questo caso K~E)ultrarelativistico (in questo caso K~E)

2

42222

2

)1( cinetica energia

energia

)1

1( impulso

velocita'

mcK

cmcpmcE

mcp

c

v

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Cinematica relativisticaCinematica relativistica

L’energia e l’impulso di una particella formano un quadrivettore p = (E,p).

L’ energia E* e l’impulso p* di una particella massa m viste da un sistema di riferimento con velocità sono:

TT ppp

E

p

E

*

//*//

*

;

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Cinematica relativisticaCinematica relativistica

)cos(1(2)()( 212122

21

221

221 EEmmEEEs cm pp

In una collisione di 2 particelle di massa m1 ed m2 l’energia totale nel c.m. e’ espressa dall’invariante di Lorentz:

Dove è l’angolo formato fra le due particelle.

Nel sistema in cui m2 è ferma (sistema del laboratorio) avremo:

12221

21

2122

21

mEmEmmEs

cm

Le variabili del laboratorio rispetto al c.m. sono:

cm

labcm

lab

labcm E

mE

mEp

21

21

1

cm

labcm E

mpp 2

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Particelle ed InterazioniParticelle ed Interazioni

La fisica subnucleare studia i costituenti della materia ( partoni e leptoni) e cerca di capire le interazioni cui sono soggetti

Interazioni forti Interazioni forti (forza relativa a ~10(forza relativa a ~10-18-18 cm ~1 ) cm ~1 ) Interazioni e.m.Interazioni e.m. (( ““ ““ ~10 ~10-2-2)) Interazioni deboliInterazioni deboli (( ““ ““ ~10 ~10-5-5)) Interazioni gravitazionaliInterazioni gravitazionali (( ““ ““ ~10 ~10-39-39))

• La forza gravitazionale è irrilevante in quanto mp = 938 MeV = 1.67x10-27 kg. È comunque a lungo raggio.

• La forza debole (responsabile dei decadimenti radioattivi e delle interazioni di neutrini è poco utile per i rivelatori. È a corto raggio.

• La forza forte è quella che tiene assieme i protoni (e neutroni) nel nucleo. È utilizzata solo nei Calorimetri Adronici. Anche questa forza è a corto raggio.

• La forza e.m., non è altro che la forza coulombiana. È a lungo raggio e quindi, nel caso di particelle cariche domina a grandi distanze fino a ~ 1 f ( a piccole distanze domina la forza forte).

Quest’ ultima Quest’ ultima èè fondamentale per i rivelatori fondamentale per i rivelatori Interazione Radiazione Materia Interazione Radiazione Materia dominata da processi e.m.dominata da processi e.m.

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Le particelle possono essere classificate tramite le forze cui sono soggette.

• I leptoni ( leptoni ( ee ) ) nonnon sono soggetti alla forza forteforte. Non hanno struttura interna sono puntiformi.

• Gli adroniadroni sentono la forza forteforte e sono suddivisi in barioni barioni (spin semintero) e mesonimesoni (spin intero). Gli adroni hanno una struttura interna (quark).

• Ogni particella ha la sua antiparticella con la stessa massa e spin, ma carica ed altri numeri quantici interni opposti.

• Esistono anche i Bosoni di GaugeBosoni di Gauge (mediatori delle interazioni). Hanno spin intero.

– Interazione e.m. Interazione e.m. – Interazione forte Interazione forte gg

– Interazione deboleInterazione debole ZZ00,W,W±±

Particelle ed InterazioniParticelle ed Interazioni

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Particelle ed interazioniParticelle ed interazioni

La ricerca sperimentale studiaLa ricerca sperimentale studia:• Diffusione di particelle sezione d’urtosezione d’urto• Spettroscopia e decadimenti vita mediavita media• Produzione di particelle sezione d’urtosezione d’urto

Vita media: Vita media: Se la particella instabile si muove il percorso che farà prima di morire è:

Il numero di particelle che decadono in dx è proporzionale al numero di particelle N(x) che si hanno ad x

ed al percorso dx.

Distribuzione esponenziale con pendenzad (lunghezza di decadimento)

cmc

pcd

d

x

d

eNxNdx

xNxdN

0)()()(

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Particelle ed interazioniParticelle ed interazioni

Sezione d’urto La è usata per esprimere la probabilità di interazione fra particelle elementari.• Se giocamo al tiro al bersaglio, il parametro che ci interessa è la dimensione del bersaglio

(targhetta) ovvero l’area che il fascio di freccette vede.• Analogamente se spariamo un fascio di elettroni in un bidone di idrogeno (che non è altro che un

insieme di protoni) il parametro che ci interessa è la dimensione del protone, ovvero l’area che il protone mostra al fascio incidente.Però il protone non ha una sezione ben definita, ma più vicino ci andiamo maggiore è la probabilità d’interazione. Inoltre la sezione d’urto dipende dalla natura del proiettile oltre che dalla struttura del bergaglio. Gli elettroni sono diffusi più dei neutrini e meno dei protoni (interazioni diverse).

– Sezione d’urto elastica ( Sezione d’urto elastica ( Se l’energia è bassa avremo solo e+pe+p ) ) – Sezione d’urto anelastica ( Sezione d’urto anelastica ( Se l’energia è sufficiente possiamo avere e+pe+p+ o anche

e+pe+p+ etc ) ) Ipotesi semplicistica 1/v ( più a lungo sto vicino al protone più alta è la probabilità d’interazione), ma risonanze (stato quasi legato) e più grande.Dimensioni area. Unità di misura 1 barn (b) =10-24 cm2

Per impulso nel lab. di 10 GeV/c si ha: t ( t ( ++p ) ~ 25 mbp ) ~ 25 mb (forte)(forte) t ( t ( p ) ~ 100 p ) ~ 100 bb (e.m.)(e.m.) t ( t ( p ) ~ 0.1 pbp ) ~ 0.1 pb (debole)(debole)

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Sezioni d’urtoSezioni d’urto

Per avere la T si integra su tutto l’angolo solido.

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Sezione d’urtoSezione d’urto

• Esempio numerico: Esempio numerico: -- p p 00 n n

– 107 particelle incidenti a burst ( impulso dell’acceleratore)

– 1 burst ogni 10 s

– 8 giorni di presa dati

– Targhetta di Be ( =1.8 gr/cm3) l=10 cm

– Dati raccolti 7.49x1010

T=(Nrac/Nfascio)x(1/nA) (Nrac=7.49x1010 Nfascio=69120x107)

nA = lNA (Z/A) (numero di protoni nella targhetta)

T T = (7.49x10= (7.49x101010)/(69120x10)/(69120x1077x48.18x10x48.18x102323)~2.25x10)~2.25x10-26-26 cm cm22=22.5 mb=22.5 mb

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Sezione d’urtoSezione d’urto