Gli Acceleratori e i Rivelatori di Particelle Gli Acceleratori e i Rivelatori di Particelle

Wander Baldini Istituto Nazionale di Fisica NucleareWander Baldini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

cominciamo con gli acceleratori…cominciamo con gli acceleratori… Un Un acceleratore di particelleacceleratore di particelle e’ un e’ un “dispositivo” che consente di accelerare “dispositivo” che consente di accelerare particelle (es: elettroni e protoni) fino particelle (es: elettroni e protoni) fino adad energie molto alte energie molto alte

E costituito tipicamente da una serie di E costituito tipicamente da una serie di magneti disposti ad anello che magneti disposti ad anello che contengono ed accelerano le particelle contengono ed accelerano le particelle ad ogni giroad ogni giro

I piu’ importanti si trovano a:I piu’ importanti si trovano a:• CERN (Ginevra) CERN (Ginevra) L=27km E = 14TeV L=27km E = 14TeV • Fermilab (Chicago) Fermilab (Chicago) L=6.28 km E = 2TeV L=6.28 km E = 2TeV

un un elettronvolt (eV)elettronvolt (eV) e’ l’energia che e’ l’energia che acquista un elettrone se accelerato da acquista un elettrone se accelerato da una differenza di potenziale di 1V una differenza di potenziale di 1V

I rivelatori di particelle servono a “vedere” cosa succede quando si scontrano le particelle negli acceleratori

Un “Evento” visto dall’Event Display del rivelatore CMS al CERN, approfondiremo in seguito….

Come rivelare una particellaCome rivelare una particella Per rivelare una particella occorre che questa Per rivelare una particella occorre che questa interagiscainteragisca con la materia con la materia

Di fondamentale importanza dunque il Di fondamentale importanza dunque il concetto di concetto di interazioneinterazione

• Gravita’Gravita’

• Debole Debole

• Elettromagnetica Elettromagnetica (e.m.) (e.m.)

• ForteForte

Come interagiscono le particelle con la materia: Come interagiscono le particelle con la materia:

Siamo qui interessati in particolare a capire come Siamo qui interessati in particolare a capire come possiamo rivelare i vari tipi di particelle possiamo rivelare i vari tipi di particelle

Le interazioni utilizzate per realizzare i Le interazioni utilizzate per realizzare i rivelatori di particellerivelatori di particelle sono: sono:

ELETTROMAGNETICA ELETTROMAGNETICA FORTEFORTE

Infatti la “forza relativa” dei 4 tipi di interazione:Infatti la “forza relativa” dei 4 tipi di interazione: forte : forte : 1 1 e.m. : e.m. : 1/137 1/137 debole: debole: ~~1010-5-5

gravitazionale: gravitazionale: ~~1010-40-40

Troppodeboli!!

Quarks / AdroniQuarks / Adroni Quarks:Quarks:u, c, t:u, c, t: hanno carica +2/3hanno carica +2/3 d, s, b:d, s, b: hanno carica -1/3hanno carica -1/3Non esistono liberi ma sono Non esistono liberi ma sono confinati negli adroniconfinati negli adroni

Adroni, sono combinazioni di 2 o 3 Adroni, sono combinazioni di 2 o 3 quarks: quarks:

Mesoni:Mesoni: 2 quarks, 2 quarks, ±±, , pionipioniBarioni:Barioni: 3 quarks, p,n,… 3 quarks, p,n,…

Interagiscono Interagiscono sia e.m. che fortesia e.m. che forte e e ne esistono di molti tipi ne esistono di molti tipi I piu’ importanti sono I piu’ importanti sono protone (p), protone (p), neutrone (n), pione (neutrone (n), pione (

n (udd)

p (uud)

Hanno massa grande:Hanno massa grande: p,n :p,n : ~ ~ 940 MeV940 MeV ±±, , ~ 140 MeV~ 140 MeV

I LeptoniI Leptoni• Elettrone Elettrone ee±± 0.5 MeV0.5 MeV• Muone Muone μμ±± 105 MeV105 MeV

• Tau Tau ± ± 1800 MeV1800 MeV• Neutrini Neutrini < 2 eV < 2 eV

ee±±, μμ±± , ±± Interagiscono e.m. Interagiscono e.m. e sono carichi elettricamente e sono carichi elettricamente

I neutrini interagiscono solo I neutrini interagiscono solo debole e dunque sono debole e dunque sono difficilissimi da rivelaredifficilissimi da rivelare

I bosoni vettori delle varie interazioniI bosoni vettori delle varie interazioni Secondo la meccanica quantistica una interazione tra particelle Secondo la meccanica quantistica una interazione tra particelle avviene attraverso lo scambio di un’altra particella chiamata avviene attraverso lo scambio di un’altra particella chiamata

“bosone vettore”“bosone vettore”

Il vettore dell’interazione e.m. e’ il fotone Il vettore dell’interazione e.m. e’ il fotone

I vettori delle interazioni deboli sono ZI vettori delle interazioni deboli sono Z0 , 0 , WW±±

Il vettore delle interazioni forti si chiamano gluoni (g) Il vettore delle interazioni forti si chiamano gluoni (g) e sono 8 e sono 8

Il comportamento di una particella nella materia dipende Il comportamento di una particella nella materia dipende essenzialmente da come interagisce e dalla sua massaessenzialmente da come interagisce e dalla sua massa

All’interno di un materiale la particella interagisce con gli All’interno di un materiale la particella interagisce con gli elettroni atomici e/o con i nuclei elettroni atomici e/o con i nuclei

Le particelle con carica e.m. perdono energia Le particelle con carica e.m. perdono energia gradualmentegradualmente urtando principalmente gli elettroni atomici e liberando delle urtando principalmente gli elettroni atomici e liberando delle cariche elettriche nel materialecariche elettriche nel materiale

Le particelle con carica forte (adroni) interagiscono anche Le particelle con carica forte (adroni) interagiscono anche tramite interazione forte con i nuclei tramite interazione forte con i nuclei

e-

N

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N

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N

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N

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N

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Ne-

N

interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono tramite interazione forte con i nuclei) tramite interazione forte con i nuclei)

hanno la stessa massa degli elettroni atomici hanno la stessa massa degli elettroni atomici percio’ negli urti perdono molta energia e si percio’ negli urti perdono molta energia e si fermano facilmente fermano facilmente

Elettroni e positroni (eElettroni e positroni (e--ee+)+)

e-

N

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N

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N

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N

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N

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Ne-

N

ee±±

hanno una massa molto maggiore degli elettroni hanno una massa molto maggiore degli elettroni atomici ( 200 volte) percio’ negli urti perdono poca atomici ( 200 volte) percio’ negli urti perdono poca energia energia

Muoni Muoni

interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono interagiscono solo e.m. (quindi non interagiscono forte con i nuclei) forte con i nuclei)

Sono dunque molto penetranti (servono molti metri di Sono dunque molto penetranti (servono molti metri di materiale per fermarli)materiale per fermarli)

e-

N

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N

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N

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N

e-

Ne-

N

±

hanno anche loro una massa molto maggiore degli hanno anche loro una massa molto maggiore degli elettroni atomici (elettroni atomici (300 volte) percio’ negli urti perdono 300 volte) percio’ negli urti perdono poca energia poca energia

Gli Adroni Gli Adroni

interagiscono sia e.m. con gli elettroni che forte con i interagiscono sia e.m. con gli elettroni che forte con i nuclei e possono essere carichi (es. p, nuclei e possono essere carichi (es. p, ±±), ), che neutri (es. che neutri (es. n, n, 00))

Sono dunque molto penetranti (Sono dunque molto penetranti (≈ 1m) ≈ 1m) ma non quanto ma non quanto i muoni i muoni

e-

N

e-

N

e-

N

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N

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N

e-

Ne-

N p,n…

Vari tipi di rivelatore: Sistemi di tracciamento Vari tipi di rivelatore: Sistemi di tracciamento

misurano la misurano la direzione di particelle cariche direzione di particelle cariche senza deviarle senza deviarle

Quindi devono essere costituiti da materiali poco densi (gas) o Quindi devono essere costituiti da materiali poco densi (gas) o da strati molto sottili (semiconduttori o fibre ottiche plastiche) da strati molto sottili (semiconduttori o fibre ottiche plastiche)

Devono avere piu’ stadi per misurare la direzione della Devono avere piu’ stadi per misurare la direzione della “traccia”“traccia”

Vedono solo le particelle caricheVedono solo le particelle cariche

++ +

+

Sistemi di tracciamento Particella carica

Vari tipi di rivelatori: Calorimetri Vari tipi di rivelatori: Calorimetri

misurarano misurarano l’energia delle particelle l’energia delle particelle fermandole (cioe’ assorbendo fermandole (cioe’ assorbendo tutta la loro energia). tutta la loro energia).

Quindi devono essere costituiti da materiali molto densi (esempio Quindi devono essere costituiti da materiali molto densi (esempio Pb, Fe, ..) Pb, Fe, ..)

Possono essere Possono essere e.m. e.m. : ottimizzati per misurare l’energia di : ottimizzati per misurare l’energia di elettroni e fotonielettroni e fotoni adronici adronici : per misurare l’energia degli adroni : per misurare l’energia degli adroni

e±,

h

±

e.me.m. adronicoadronico Rivelatore Rivelatore di muoni di muoni Il rivelatore dei muoni: Il rivelatore dei muoni: e’ e’

posto dopo ai calorimetri, posto dopo ai calorimetri, dove arrivano (quasi) solo dove arrivano (quasi) solo

i muonii muoni

Riassumendo: il comportamento delle le varie particelle

Vista schematica di un tipico rivelatore Vista schematica di un tipico rivelatore

di particelledi particelle

LHC: il Large Hadron Collider

19100 metri sotto terra

Circonferenza: 27 km

Lago di Ginevra

Alpi

4 punti di interazione

JuraFiume Rodano

Il Complesso di acceleratori del CERN

50 MeV

1.4 GeV

25 GeV

450 GeV

7 TeV

Il CERN e LHC

• Fondato nel 1954, al fine di unire le conoscenze europee nel campo della fisica nucleare, da 12 paesi europeei tra cui l’Italia

• Oggi conta 2400 impiegati, 10000 “visiting scientists”, collabora con 608 universita’ e 113 paesi di tutto il mondo.

• LHC fa collidere protoni ad una energia totale di 14 TeV (7 per fascio) in un tunnel circolare scavato ad una profondita’ media di 100m, per non deturpare l’ambiente e per schermare le radiazioni

• La circonferenza e’ 27 chilometri, e’ composto da migliaia di magneti, tra cui 1232 magneti dipolari (15m) per deflettere la particelle, 392 magneti quadripolari (7m) per focalizzarle, il tutto tenuto ad una temperatura di circa -271 °C

• Il consumo energetico totale e’ di 120 MW (quanto l’intera Ginevra), dovuto in gran parte al sistema di raffreddamento

• Il costo complessivo del progetto e’ di circa 6.5 GEuro , di cui 5 G-euro per LHC, 1.35 G-euro per i 4 rivelatori, 150 M-euro per il computing

Nel pomeriggio analizzeremo degli eventi visti dal rivelatore CMS: Compact Muon Solenoid

SI

Un esempio di “evento” visto nel rivelatore CMS

J/Ψ μ+ μ- ???

Carica opposta Stessa carica

SI NO

La particella J/Ψ e’ formata da una coppia di quarks charm-anticharm ed e’ una cosiddetta “risonanza” ossia una particella che vive per un tempo brevissimo (<10-15 s)

La risonanza J/Ψ e la sua “massa invariante”

Quando una particella instabile come la J/psi decade, per la conservazione del 4-vettore energia-impulso, le particelle in cui decade devono avere caratteristiche cinematiche ben definite, molto utili per riconoscere questi decadimenti

(mJ /c2)2 (E1 E2)2 p1 p2

2

Visto che abbiamo a che fare con particelle che viaggiano quasi alla velocita’ della luce dobbiamo usare la cinematica relativistica

J/Ψ μ+ μ-

mJ /

(E1, p1)

(E2, p2)

Massa invariante della J/Ψ