11

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

2

L’importanza dello studio delle particelle

Perchè usare acceleratori sempre più potenti

Rivelazione delle particelle

Riconoscimento di eventi particolari

Indice

3

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?

4

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

5

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

6

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

7

I primi acceleratori

Sorgente di particelle

+ ++

- --

Acceleratore lineare Acceleratore circolare

8

Acceleratori: a bersaglio fisso e collider

Bersaglio fisso

Collider

Acceleratore

E = mc2

Energia materia (particelle)

bersaglio

9

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

10

I 4 esperimenti di LHC

ATLAS

CMSALICE

LHC-B

11

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

12

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

13

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

+

-

14

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

15

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

16

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

17

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

18

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

19

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

20

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

21

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

22

Riconoscimento delle principali particelle

ElettroniPositroni

muoni

gamma

jets

pioni

neutrini

Tracciatore

Calorimetro em

Tutti

Tracciatore

Calorimetro adr

Calorimetro em

Tracciatore

Calorimetri

23

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-

24

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

25

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

27

evento

μ+μ-

Energia mancante (piccola ~ 9 GeV)

Z0 μ+μ-fondo

28

evento

e-

Energia mancante (~ 70 GeV)

μ+

H W+W-

μ+ν e-ν

29

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

30

Backup slides

31

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

32

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

33

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)

34

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