Laboratori Nazionali Laboratori Nazionali di Frascatidi Frascati

Istituto Nazionale di Fisica Istituto Nazionale di Fisica NucleareNucleare

Ente pubblico che promuove, coordina ed effettua la ricerca

scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare ed

astroparticellare nonché la ricerca e lo sviluppo tecnologico necessari

alle attività in tali settori, in stretta collaborazione con l’Università e nel contesto della collaborazione e del

confronto internazionale

Legnaro

Laboratori del Sud(Catania)

Gran Sasso

19 Sezioni 11 Gruppi collegati

4 Laboratori Nazionali

VIRGO-EGO European Gravitational Observatory

NAUTILUSATLAS

Auditorium

ADA e ADONE

KLOEDANE

Centro diCalcolo

FISABTF

DANE-L

FINUDADEAR

Laboratori Nazionali di Frascati

Data di nascita: 1955

Studi sulla struttura intima della materia

Ricerca di onde

gravitazionali

Elaborazione di modelli teorici

Sviluppo e costruzione di rivelatori di particelle

Studio e sviluppo di tecniche

acceleratriciStudi di materiali e ricerche biomediche con luce di sincrotrone

Attività dei LNF

Sviluppo e supporto di sistemi di calcolo e reti

FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI

Di che cosa e’ fatto il mondo?

Quali sono le leggi fondamentali che lo regolano?

N

N

P

N

P

P

ATOMO DI

LITIO

e-

e-

e-

orbitali interni

orbitale esterno~ 10 cm =

0.00000001 cm

-8

++ +

nucleo

~10 cm =

0.0000000000001 cm

-13

UNA PRIMA RISPOSTA: L’ ATOMO

PROTONE E NEUTRONE NON SONO ELEMENTARI

P

U U

D

U

D

D

N

MA SONO FORMATI DA QUARK QUARK

UP CON CARICA +2/3

DOWN CON CARICA -1/3

SONO STATE SCOPERTE CENTINAIA DI NUOVE PARTICELLE, PER LO PIU’INSTABILI

+ - e + - e

in circa 10 s-6

( INTERAZIONE DEBOLE)

0 in circa 10 s-16

( INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA)

+ - 0 in circa 10 s-23

( INTERAZIONE FORTE)

Non possono essere tutte “elementari”!

RELATIVITA’ + MECCANICA QUANTISTICA = ANTIMATERIA

PARTICELLA ANTIPARTICELLA

ELETTRONE POSITRONE

QUARK ANTIQUARK PROTONE ANTIPROTONE

-UU

U -D

-U

D

Q = +2/3 +2/3 -1/3 = +1 Q = -2/3 -2/3 +1/3 = -1

IL MODELLO STANDARD LE PARTICELLE DI MATERIA

QUARKS

Q = +2/3 Up Charm Top Q = -1/3 Down Strange Bottom

LEPTONI

Q = -1 e

Q = 0

e

CON LE RELATIVE ANTIPARTICELLE

IL MODELLO STANDARD

I VETTORI DELLE INTERAZIONI

INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA

W+ W- Z0INTERAZIONE DEBOLE

g (8 tipi) INTERAZIONE FORTE

I primi fasci di particelle per gli studi di fisica nucleare e subnucleare erano sorgenti naturali: particelle alfa, raggi

cosmici

La capacità di rompere le barriere elettrostatiche intorno ai nuclei

aumenta con l’energia: l’energia massima delle particelle alfa è solo 10

MeV.

I raggi cosmici, anche quando molto energetici, non sono prevedibili: servono

fasci di particelle ad alta energia e ripetibilità per studi sistematici

ACCELERATORI DI PARTICELLE

I fisici hanno sviluppato tecniche per produrre in laboratorio ed accelerare fasci di particelle di vario tipo (elettroni, protoni, pioni ecc…) ad energie ed intensita’ sempre piu’ elevate

Un fascio di particelle che colpisce un bersaglio o collide con un altro fascio produce reazioni nucleari, annichilazioni e creazione di nuove particelle

L’acceleratore che visiterete oggi (DANE) e’ un collisionatore elettroni-positroni di energia non molto elevata ma di elevatissima intensita’

Acceleratori nel mondo

Gli acceleratori usati per la ricerca pura sono costruiti ai limiti della tecnologia attuale e sono anch’essi ricerca tecnologica.

DANE

OSSERVARE LE PARTICELLE: I RIVELATORI

I rivelatori di particelle sono degli strumenti che permettono di misurare i segnali rilasciati al passaggio della particella in un mezzo. Esiste una grande quantità di rivelatori diversi, ognuno ottimizzato per effettuare delle misure specifiche. In generale i rivelatori vengono grossolanamente suddivisi in 3 grandi categorie:

contatori (frequenza)

traccianti (traiettoria,carica, momento)

calorimetri (energia, tempo di volo)

Combinando le informazioni di più rivelatori si ottengono informazioni più dettagliate come massa, velocità, tipo di particella

Struttura di un “General purpose experiment”

Calorimetro Pb-Fibre Scintillanti( barrel + endcap,spessore15 X0, ermetico 98 %)

Camera a derivaMiscela di He13K celle di drift

Ferro per chiusuralinee di campo

Bobina SuperConduttriceB = 5.188 kG

Regione di interazione:Calorimetri su quadrupoli,Al-Be beam-pipe sferica

IL RIVELATORE KLOE

Decadimenti K+K– 49.1%KLKS 34.3% 15.4% 1.3%

(KS) = 6 mm ( = 90 ps)(KL) = 3.5 m ( =51.7 ns)

Cammini liberi medi

IL RIVELATORE KLOE

Attenzione dell’esperimento: decadimento dei K neutri

Grandi dimensioni del rivelatore!

Principali Modi di decadimento

KS π+π-

π0π0

KL π+π- π0 π0π0 π0

π±

π±e

π+π-

π0π0

Necessita’ di un tracciatore e di un calorimetro

Esempio di KS KL

Produzione di segnali Rivelatore

Selezione veloce segnali interessanti Trigger/Elettronica

Scrittura su nastro dei dati interessanti Sistema DAQ

Ricostruzione delle variabili fisiche Computing Offline degli eventi (impulsi, energie…)

Analisi fisica degli eventi Studente di Dottorato

DIAGRAMMA DI FLUSSO DI UN ESPERIMENTO

IL FUTURO DELLA FISICA DELLE PARTICELLE

Sebbene il Modello Standard sia una teoria di gran successo, molti interrogativi rimangono ancora senza risposta

Perche’ il mondo e’ fatto di materia (e non di antimateria)?

Che cosa determina la massa dei quark dei leptoni e dei bosoni vettoriali?

Esistono principi di unificazione tra le varie interazioni fondamentali e che ruolo gioca la gravita’?

Che cosa e’ la Materia Oscura, di cui l’universo sembra essere permeato?