Hands on Physics Acceleratori e rivelatori di particelle dott. Francesco Perfetto Università degli...

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Acceleratori e rivelatori Acceleratori e rivelatori di particelledi particelle

dott. Francesco PerfettoUniversità degli Stud di Napoli “Federico II” & INFN

Napoli, 14 Febbraio 2012

IntroduzioneIntroduzione

Acceleratori– Perché gli acceleratori ?

– Generazione delle particelle

– Tipologie di acceleratori

– Modo di utilizzo

Rivelatori–Tipologie di rivelatori

–Tracciatori

–Calorimetri

–Apparati per esperimenti

–Esempi di rivelazione

Quali sono gli strumenti di lavoro di un fisico che studia le particelle elementari ?

F. Perfetto14 Febbraio 2012

F. Perfetto

PremessaPremessaQual e il “rivelatore” più familiare ?

L’occhio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni

L’occhio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

PremessaPremessaAltri modi per “vedere” ?

Es.: per sottrazione Es.: infrarossi

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

PremessaPremessa... altri modi per “vedere”

Perché si usano i raggi X e gli ultrasuoni e non la luce ed il suono “normali” per “illuminare” ?

Luce “energetica” (raggi X)

Ultrasuoni

14 Febbraio 2012

Noi “vediamo” la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che

rimbalzano sui rivelatori

Noi “vediamo” la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che

rimbalzano sui rivelatori

PremessaPremessa

14 Febbraio 2012 F. Perfetto

Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a capire molte caratteristiche delle particelle

Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a capire molte caratteristiche delle particelle

EsempioEsempio


Ernest Rutherford 1909

Esperimento di Rutherford


Arghhh !!!Arghhh !!!Sottotitolo: Un pizzico di Meccanica QuantisticaUna particella si comporta anche come un’onda (cioè come la luce): la sua lunghezza

d’onda è tanto più piccola quanto più è grande la sua energia.

Lunghezza d’onda piccola = capacità di “infilarsi” in spazi piccoli = possibilità di esplorare cose piccole

più è microscopico il mondo che vogliamo esplorare, più deve essere grande l’energia delle particelle che usiamo per osservarlo


Perché “alte energie” ?Perché “alte energie” ?La luce si comporta anche comeun insieme di corpuscoli di energiaE = hν

Le particelle si comportanoanche come onde di frequenzaν = E/h

FATTI SPERIMENTALI

λ=c/ν= hc/E

se E cresce λ diminuiscePer esplorare l’infinitamente piccoloE deve diventare molto grande

h = 6.62 • 10-34 J • s

{14 Febbraio 2012 F. Perfetto

11

Definizione eV

1 eV è l’energia cinetica acquistata da un elettrone sottoposto ad una differenza di potenziale di 1 Volt

1 eV rappresenta un’energia molto piccola

Lampadina da 100 W accesa per 1 ora

360.000 joules 4.500.000 joules 52.000.000 joules

Auto da corsa v = 370 km/h

Caldaia 12.600 kcal in funzione per un’ ora

2.24•1024 eV 28.•1024 eV 324•1024 eV

1 eV = 1V • 1.602•10-19 C = 1.602•10-19 joules

1012 eV = TeV

109 eV = GeV

106 eV = MeV

103 eV = keV


F. Perfetto

La “TeV-ape”La “TeV-ape”

K 1

2mv2 1.25 107 joulesmape = 0.0001 kg

vape = 0.05 ms-1

Consideriamo un’ape che vola percorrendo 50 cm ogni 10 secondi

K = .78 TeV

Ha senso spendere miliardi di euro per costruire LHC ???

Assumiamo che la TeV-ape sia fatta al 100% di 612C

Na = 6.022•1023 Natomi/mole

Natomi = m∙Na/pesoatomico = 5•1021

Nnucleoni = 6•1022

I protoni accelerati in LHC dovrebbero arrivare fino a 7 Tev

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Da dove prendiamo le Da dove prendiamo le particelle?particelle?

Piovono dal cielo!I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano costituiti o da particelle αE = 10 MeV) o dai raggi cosmici

Protoni e fotoni primari provenienti dallo spazio generano particelle secondarie nell’urto con i nuclei dei gas atmosferici (100 particelle a m2 sul livello del mare)

Esistono raggi cosmici molto energetici ma rari ad arrivo casuale

ACCELERATORI

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Generazione di particelleGenerazione di particelleL’esempio più semplice di generatore di elettroni è un filamento caldo, come quello di una lampadina

Gli elettroni sono estratti dal catodo e, viaggiando verso l’anodo positivo, acquistano un’energia uguale alla loro carica moltiplicata per la differenza di potenziale applicata tra catodo e anodo

I protoni sono il nucleo dell’atomo di idrogeno.Applicando la differenza di potenziale al gas di idrogeno si accelerano i protoni

La differenza di potenziale tra due elettrodi viene usata peraccelerare le particelle.

L’energia massima raggiungibileè data dal limite di tensione oltreil quale si possono avere scaricheelettricheΔE qΔV

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Come le facciamo Come le facciamo muovere?muovere?

La forza di Lorentz descrive il moto di una particella in un acceleratore

CURVATURA EFOCHEGGIAMENTO

ACCELERAZIONE{ {

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Come le facciamo Come le facciamo muovere?muovere?

14 Febbraio 2012

SN

• Campi elettrici per accelerare• Campi magnetici per curvare

Impulso maggiore

Impulso minore

Carica opposta

+-100 V

E=100 eV

F. Perfetto

AcceleratoriAcceleratori

Esistono diversi tipi di acceleratori:Lineari

Circolari

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Come funziona un Come funziona un acceleratore?acceleratore?

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Tipologie di acceleratoriTipologie di acceleratori

Vantaggi: Le particelle attraversano più volte la stessa cavità. Ad ogni giro tali pacchetti acquistano energia grazie al campo elettrico accelerante (a radiofrequenza)Svantaggio: perdono energia a causa della RADIAZIONE DI SINCROTRONE EMESSA (a sua volta costituisce una sonda utilizzata in vari campi) nei magneti curvanti.

Circolari

Una particella carica che viaggia lungo unatraiettoria curva perde energia

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Come funziona un Come funziona un acceleratore?acceleratore?

Qual è l’acceleratore più comune?

Il Televisore !!!!!!!

E = 20000 eV

14 Febbraio 2012

Modo di utilizzoModo di utilizzo

Bersaglio fisso

Esperimento di Rutherford

Rivelatori

Acceleratore


Modo di utilizzoModo di utilizzoCollisori

Nel 1961 Bruno Touschek ebbe l’dea geniale di utilizzare lo stesso acceleratore per far collidere materia e

antimateria.

Tutta l’energia della collisione è

disponibile ad essere convertita E=29 GeV E=900 GeV


10 Febbraio 2010

LHC al CERN (dal 2008)LHC al CERN (dal 2008)Il collisore protone-protone a più alta energia:

14000 GeV


LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente mai realizzato dall'uomo, progettato per far collidere protoni ad un'energia nel centro di massa di 14 TeV, mai raggiunta fino ad ora in laboratorio.

I componenti più importanti del LHC sono gli oltre 1600 magneti superconduttori raffreddati alla temperatura di 1.9 K (-271,25 °C) da elio liquido superfluido che realizzeranno un campo magnetico di circa 8 Tesla, necessario a mantenere in orbita i protoni all'energia prevista. Il sistema criogenico di LHC è il più grande che esista al mondo oltre ad essere il luogo massivo più freddo dell'universo.

LHC: The Large Hadron ColliderLHC: The Large Hadron Collider


F. Perfetto

RivelatoriRivelatori

Bene, abbiamo fatto sbattere due particelle. E ora?

• Posizione e direzione del moto

• Carica elettrica

• Energia

• Impulso

• Massa

• Tempi di vita

…viene fuori un sacco di roba. Cosa ci interessa misurare?

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Rivelatori di particelleNella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare

particelle. (Wikipedia)

elettronica di lettura

area attiva

I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Rivelare le particelleRivelare le particelle

– Particelle cariche: urti anelatici con gli elettroni degli atomi che incontrano;

– Tutti gli adroni (carichi e neutri) per reazioni nucleari con i nuclei che incontrano;

– Elettroni emettono luce “frenando”– Fotoni possono creare coppie e+ e-

– Neutrini hanno solo l’interazione debole.... “sfuggono” ai nostri rivelatori lasciando “poche tracce”!

– Muoni perdono poca energia, sono più penetranti

Tutte le particelle, attraversando la materia, perdono una parte della loro energia.

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Rivelare le particelleRivelare le particelle

• Alla base di tutti i rivelatori c’è il principio di convertire questa energia rilasciata in “segnali” concreti da “rivelare”.

• Tecniche diverse a seconda del tipo di particella da rivelare.

• Ad esempio un rivelatore di fotoni deve essere necessariamente diverso da un rivelatore di muoni.

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Caratteristiche dei rivelatori

Sensibiltà: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di radiazione e di energia. Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti i tipi di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile ad un tipo di radiazione in un certo intervallo di energia.

Risposta: tipo di segnale utile prodotto. Spesso il segnale prodotto da un rivelatore è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale all’energia rilasciata dalla particella.

Risoluzione: differenza minima di una grandezza fisica misurata (es. energia) necessaria perché il rivelatore possa distinguere due misure vicine. Si esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della grandezza misurata.

Es.: Risoluzione spaziale. E’ la distanza minima alla quale un rivelatore distingue il passaggio di due particelle.

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Caratteristiche dei rivelatori

Efficienza: efficienza assoluta: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle emesse dalla sorgente. Efficienza intrinseca: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle che lo colpiscono.

Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per formare il segnale dopo che è passata la particella. Dipende molto dall’elettronica di lettura. Il tempo morto può ridurre l’efficienza se il rivelatore non è in grado di rivelare una particella perchè ancora impegnato a processare l’evento precedente. Questo fenomeno aumenta quanto più è elevata la frequenza di arrivo delle particelle.

14 Febbraio 2012

F. Perfetto

Emulsioni FotograficheEmulsioni FotograficheNei primi esperimenti con i raggi cosmici si inviavano lastre fotografiche sui palloni aerostatici.Le particelle cariche “impressionano” le lastre fotografiche lasciando una scia del loro passaggio.

0,1 mm

14 Febbraio 2012

ScintillatoriScintillatori

guida di luce

fotomoltiplicatore

Per misure di tempoerrore ~ns (10-9 sec)

Scintillatore

Una particella carica genera una luce scintillante in particolari cristalli


Un sistema di tracciaturadetermina la traiettoria

dellaParticella

Rivela solo particelle cariche. Se immerso in un campo

magnetico B si riescono adeterminare anche la

carica Qed il momento P

La particella subisce unaminima perdita d’energia

nelsistema

Sistema calorimetrico

Rivelatori

2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri


Un sistema calorimetricodetermina l’energia dellaparticella

La particella viene completamente assorbita

A differenza di sistemi di tracciatura può rivelare anche particelle neutre (fotoni, neutroni)

Rivelatori a GasRivelatori a Gas

scintillatoreti

tf

Gasd = v·(tf – ti)

Le particelle cariche ionizzano il gas

Gli elettroni prodotti vengono raccolti sull’anodo

Dal tempo di “deriva” si misura lo spazio percorso


Camere a filoCamere a filoProf. Charpak Premio Nobel del 1992 per l’invenzione delle camere a multifilo (1968)

Camera a fili di KLOE


Esistono 2 tipi di calorimetri:

Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di elettroni, positroni e fotoni) Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K)

CalorimetriUn calorimetro è un rivelatore di particelle che misura l’energia di una particella

La particella interagendo con il calorimetro crea uno sciame e viene completamente assorbita

Il segnale prodotto è proporzionale all’energia della particella:

S = kE

calorimetro

particella incidente


Esperimento ai colliderEsperimento ai colliderStruttura a “cipolla”

• Tracciatori

• Calorimetro per elettroni e fotoni

• Calorimetro per adroni

• Tracciatori per muoni

• Magneti per curvare


Esperimento ai colliderEsperimento ai collider


Cosa manca?Cosa manca?I neutrini !

Interagiscono così poco con la materia che sono capaci di attraversare indisturbati la terra da parte a parte

Si possono però ottenere informazioni su di loro per differenza tra l’energia e impulso iniziale e quelle misurate

Energia e Impulso si conservano!


•7000 tonnellate di peso

•La torre Eiffel pesa 10000 tonnellate

•3000 km di cavi

•Coprono la distanza Napoli Parigi e ritorno

•100 milioni di canali di elettronica per la raccolta dei dati

L’esperimento ATLASL’esperimento ATLAS


Partecipazione Italiana

• 12 sezioni INFN

• 172 Scientific Authors

• 10 % circa della collaborazione la maggiore comunità europea

I numeri:

• 35 Nazioni

• 164 Instituti di Ricerca

• 1800 people circa



Prof. Higgs2008

L’eperimento ATLASL’eperimento ATLAS


Prof. Hawking

2008



Angela Merkel2008



2008



Utilizzo di macchine acceleratrici Utilizzo di macchine acceleratrici per la cura dei tumoriper la cura dei tumori


F. Perfetto

ConclusioniConclusioni• Gli acceleratori sono strumenti

fondamentali per produrre e studiare le particelle elementari

• Alte energie servono sia per produrre particelle nuove con masse maggiori che per indagare a distanze sempre più piccole

• Le tecniche di rivelazione delle particelle elementari sono applicate anche alla medicina e alla biologia (TAC, PET, RMN...)

• Sviluppo di elettronica e software di frontiera

14 Febbraio 2012

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