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Rivelazione di particelle

roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014

10th International Masterclasses 2014

Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group con la partecipazione della sezione INFN di Bologna

Bologna, Roma, Atene, Palaiseau, Santander

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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? -1Per 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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Perchè gli acceleratori? 2

E = Mc2 MASSAENERGIA

+ ACCELERATORE POTENTE + PRODUCE PARTICELLE ALTA ENERGIA PRODUCONO ALTRE PARTICELLE STUDIO INFINITAMENTE PICCOLO

PIONI

KAONI MUONI

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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

2012: >10•106 urti/sE = 8 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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CMS: Tracciatori e rivelatori di vertice

Silicon Tracker: 13 strati 76 M canali

Pixel: 100x150 μm

Precisione sul vertice ~ 15 μm

Strip: 80 x 180 μm 25 cm x 180 μm

Precisione su impulso = 1.5%

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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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Magnete superconduttore di CMS

solenoide

B = 4 Tesla100 K > terraLungo 13 mDiametro 6 mPeso ~ 12 TT = -269 °C

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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

identificazione

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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

Muoni sono “poco interagenti” se attraversano materiali perdono poca energia ~unici ad arrivare a questo rivelatore

Rivelatore più esterno e più grande

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Identificazione delle particelle

rivelazione

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Riconoscimento delle principali particelle

ElettroniPositroni

muoni

gamma

Adroni neutri (neutroni)

Adroni carichi (protoni)

neutrini

Tracciatore

Calo em

Tutti

Tracciatore

Calo adr

Calo em

Calo Adr

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Ricostruzione degli eventi, Z0Z0 particella instabile decade, non si misura

direttamente

Z0

μ+ (e+)

μ-(e-)Tempo (s)0 3x10-25

Spazio (m)

0 10-18

Z0 ricostruita da e/μ o con conservazione

Energia/Impulso 0

2 2

2 2Z

E E p pM

c c c c

MASSA

91.188 ± 0.002 GeV

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CMS: Evento con Z0: visione in prospettiva

Tracciatore

Rivelatore di muoni

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CMS: Evento con Z0: visione trasversa

tracciatore

calorimetri

Rivelatore di muoni

2 tracce cariche che arrivano al rivelatore di muoni

2 MUONI di carica opposta

carica + senso orarioZ0 μ+μ-

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Ricostruzione degli eventi, WW particella instabile: creata, vive e

decade

W+

μ+ (e+)

νμ(νe)

W+ μ+ νμ

W- μ- νμ

W+ e+ νe

W- e- ν

Riconoscere μ e ν

ν invisibile: si ricostruisce come energia mancante

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CMS: Evento con W: visione in prospettiva

Tracciatore

Rivelatore di muoni

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CMS: Evento con W: visione trasversatracciatore

calorimetri

Rivelatore di muoni

molta energia mancante (freccia gialla

lunga)

NEUTRINO

Traccia carica che si ferma nel cal

em

ELETTRONE Weν

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Ricostruzione degli eventi, Higgs

μ+ μ-

e+e-Z0

Z0H

H

γ γγ

γ

HZ0Z0 μ+ μ- e+e- , μ+ μ- μ+ μ- , e+e- e+e-

H

γγ

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CMS: Evento con H: visione in prospettiva

Calorimetro

Rivelatore di muoni

HZ0Z0 μ+ μ- e+e-

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CMS: Evento con H: visione trasversa

2 fotoni

(segnale nel cal em)

HZ0Z0 μ+ μ- e+e- H

γγ

2 elettroni

2 muoni

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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 noi

Conclusioni

Grazie a tutti, studenti e professori

Vi accoglieremo a braccia aperte

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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)