IDF07 1-3 ottobre silvia miozzi LNF-INFN 1

Misura della vita media del leptone Esperimento CPP

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Rivelatori a gasRivelatori a gas

• Tra i primi utilizzati per la rivelazione di particelle.

• Sfruttano la ionizzazione prodotta dal passaggio di un fotone o di una particella carica in un gas

• Un elettrone viene rimosso da un atomo o da una molecola in modo da creare una coppia elettrone-ione positivo.

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Configurazione del rivelatore a gasConfigurazione del rivelatore a gas

• Contenitore riempito con un gas facilmente ionizzabile

• Due elettrodi : catodo (negativo) e anodo (positivo)

- HV

gas filling E

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Rivelatore a gasRivelatore a gas

gas filling Campo elettrico uniforme

Radiazione ionizzante interagisce con il gas creando coppie elettrone-ione positivo

Elettroni si muovono verso l’anodo Ioni positivi si muovono verso il catodo

E

E

E

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Deriva e mobilitàDeriva e mobilità

• = v/E mobilità• v = velocità di deriva• E = campo elettrico

Gas velettroni

(cm/s)

vioni

(cm/s)

A 3 ·105 3 ·102

He 4·105 2 ·103

Ne 106 9 ·102

N2 4·105 5 ·102

H2 7·105 3 ·103

CO2 105

CH4 1.5·106

V-1elettrone = 200 ns/cm

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COPPIE ELETTRONE - IONE POSITIVO

Ionizzazione primariaIonizzazione primaria

n = E/W numero coppie di ioni

E energia depositata nel gas

W ≈100 eV energia media per creazione di coppia

mn

mn e

n

mP

!

Processo di natura statistica

Argon DME

n (ion pairs/ cm) 25 55dE/ dx (keV/ cm)

GAS (STP)

2.4 3.9

Xenon

6.7

44

CH4

1.5

16

Helium

0.32

6

7

Ionizzazione secondariaIonizzazione secondaria

Argon DME

n (ion pairs/cm)cm) 25 55

GAS (STP) Xenon

44

CH416

N (ion pairs/cm) 90 160300 53

Helium

6

8

N ≈ 3n coppie elettrone-ione prodotte

n coppie elettrone-ione primarie

Se gli elettroni della ionizzazione primaria hanno energia sufficiente (keV) possono produrre una nuova ionizzazione

8

Moltiplicazione a valangaMoltiplicazione a valanga

• Aumentando l’intensità del campo elettrico (>10 kV/cm) gli elettroni secondari possono acquistare energia sufficiente per produrre una nuova ionizzazione e così via con la formazione di una valanga

• A causa della grande mobilità degli elettroni rispetto agli ioni positivi la valanga ha la forma di una goccia: sul fronte gli elettroni, sulla coda gli ioni

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Moltiplicazione a valangaMoltiplicazione a valanga

E x

Ioni

Elettroni

Fotografia della valanga

dn = nadx frazione elettroni secondari

= 1/ coefficiente di Townsend

libero cammino medio

n = n0exp(x) numero elettroni prodotti

n0 numero iniziale di elettroni

n/n0 = exp(x) guadagnoRaether limit: G Raether limit: G ~ ~ 101088Raether limit: G Raether limit: G ~ ~ 101088

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Dalla valanga allo streamer…Dalla valanga allo streamer…- Quando il numero di elettroni sulla Quando il numero di elettroni sulla

testa della valanga raggiunge il testa della valanga raggiunge il limite di Raether, il campo di carica limite di Raether, il campo di carica spaziale all’interno della valanga spaziale all’interno della valanga influisce sul campo esterno influisce sul campo esterno applicatoapplicato

- All’interno della valanga ioni ed All’interno della valanga ioni ed elettroni si ricombinano emettendo elettroni si ricombinano emettendo fotoni isotropamentefotoni isotropamente

- Questi fotoni, insieme ai fotoni creati Questi fotoni, insieme ai fotoni creati dall’intensa attività ionizzante alla dall’intensa attività ionizzante alla testa della valanga originano testa della valanga originano valanghe secondarie attorno alla valanghe secondarie attorno alla valanga principalevalanga principale

- Le valanghe si uniscono producendo Le valanghe si uniscono producendo un filamento di plasma che si un filamento di plasma che si allunga verso gli elettrodi allunga verso gli elettrodi

- Quando il numero di elettroni sulla Quando il numero di elettroni sulla testa della valanga raggiunge il testa della valanga raggiunge il limite di Raether, il campo di carica limite di Raether, il campo di carica spaziale all’interno della valanga spaziale all’interno della valanga influisce sul campo esterno influisce sul campo esterno applicatoapplicato

- All’interno della valanga ioni ed All’interno della valanga ioni ed elettroni si ricombinano emettendo elettroni si ricombinano emettendo fotoni isotropamentefotoni isotropamente

- Questi fotoni, insieme ai fotoni creati Questi fotoni, insieme ai fotoni creati dall’intensa attività ionizzante alla dall’intensa attività ionizzante alla testa della valanga originano testa della valanga originano valanghe secondarie attorno alla valanghe secondarie attorno alla valanga principalevalanga principale

- Le valanghe si uniscono producendo Le valanghe si uniscono producendo un filamento di plasma che si un filamento di plasma che si allunga verso gli elettrodi allunga verso gli elettrodi

E

Raether limit

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……e dallo streamer alle scarichee dallo streamer alle scariche

• Lo streamer mette a contatto i 2 elettrodi: si innesca una scarica!

• Se la tensione applicata è molto elevata, i fotoni non sono più confinati in prossimità della valanga principale: sono in grado di produrre elettroni sia attraverso fotoionizzazione sia estraendoli direttamente dal catodo. Dunque si generano valanghe secondarie e scariche in tutto il volume del rivelatore.

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ln M

Voltage

Attachment

Collection

Multiplication

Streamer

Breakdown

IONIZATION CHAMBER

PROPORTIONAL COUNTER

Saturation

n1

n2

Regimi di funzionamentoRegimi di funzionamento

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- HV

Formazione del segnaleFormazione del segnale

E

x

dxxECV

QdV )(

0

d

xdVV

d

0

0

xdVV

VVV

Segnale veloce indotto dal movimento degli elettroni fornisce una risoluzione in tempo molto più elevata rispetto a quello indotto dal movimento degli ioni positivi

V0

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Catodi Resistivi

Quali sono i vantaggi nell’utilizzo di catodi ad alta resistività?

• Trasparenza: questi materiali essendo non metallici evitano l’effetto “gabbia di Faraday”: il segnale catodico viene trasmesso all’esterno del rivelatore!

• E’ dunque possibile posizionare gli elettrodi di lettura all’esterno del rivelatore (ad esempio perpendicolari al filo anodico

• Utilizzando elettrodi di lettura esterni il rivelatore viene praticamente diviso in 2 parti completamente indipendenti: una parte attiva di rivelazione (gas + HV) e una parte passiva di lettura (elettrodi esterni).

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RPCRPCContatori a Piatti ResistiviContatori a Piatti Resistivi

-HV (10-12 kV)

Strip/pad di lettura con elettronica

2 mmgap di gas

elettrodi piani resistiviin bakelite o vetro

Regime di funzionamento: Streamer o valanga

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Solo le valanghe generate dai cluster creati nel primo mm vicino al catodo (gap utile di ionizzazione: g.u.i.), avendo almeno circa un ulteriore mm di gas (gap utile di moltiplicazione: g.u.m.) per svilupparsi possono dare origine ad un segnale rivelabile

gap-utile di ionizzazione

gap-utile di moltiplicazione

catodo

anodo

1mm

1mmLe valanghe che sono generate in prossimità dell’anodo non hanno spazio per svilupparsi a sufficienza per essere rivelate.

Dimensione della gapDimensione della gap

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Con miscele tipiche (gas nobile + idrocarburo)

n0= 3 cluster/mm

cammino libero medio degli elettroni ( 70-80 m)

95%

G ≈106 (G =n/n0= ex/= e1mm/70m)

Efficienza di rivelazioneEfficienza di rivelazione

thickness

Argon

GAS (STP)

1 mm 91.82 mm 99.3

Helium 1 mm 452 mm 70

1- e-n0

mn

mn e

n

mP

!

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Marcello conversi

Ettore Pancini

Oreste Piccioni

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Marcello Conversi Tivoli 1917 - Roma 1988

• Si laureò in fisica all'Università di Roma nel 1940. • Insieme a Ettore Pancini e Oreste Piccioni, svolse

negli anni della guerra e in quelli immediatamente successivi un'importante serie di esperimenti sui raggi cosmici che portarono alla scoperta della particella in seguito nota come muone e che segnarono di fatto la nascita della "fisica delle alte energie".

• Dal 1950 al 1958 fu professore di fisica superiore all'Università di Pisa, passando in seguito all'Università di Roma.

• A Pisa diresse negli anni Cinquanta il progetto per la realizzazione di un avanzato centro di calcolo elettronico seguendo un suggerimento che Enrico Fermi aveva dato a lui, Giorgio Salvini e Gilberto Bernardini durante il Congresso di Varenna del 1954.

• Da questa iniziativa nacque la scuola di informatica italiana.  

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Conversi racconta…

"Piccioni ed io, quando sul finire del 1941 decidemmo di lavorare insieme, avevamo in mente la determinazione diretta della vita media del mesotrone. Piccioni, con alcuni anni di esperienza più di me, aveva una profonda conoscenza ed un grande entusiasmo per l'elettronica, e la maggior parte dello sviluppo che ne seguì fu dovuto alla sua grande competenza ed ingegnosità in questo campo."

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Ettore Pancini  Stanghella (PD) 1915 - Venezia 1981

• Laureatosi con Bruno Rossi a Padova nel 1938, fu militante comunista e trascorse gli anni della guerra alternando il lavoro di ricerca nella fisica dei raggi cosmici all'impegno attivo nella Resistenza (nel 1944 fu comandante dei Gruppi di azione partigiana di Venezia).

• Trasferitosi dall'Istituto di fisica di Padova a quello di Roma, nel 1945 partecipò alla fase finale del celebre esperimento noto come esperimento di Conversi-Pancini-Piccioni, che portò alla scoperta della particella in seguito nota come muone, segnando la nascita della "fisica delle alte energie“

• Nel 1952 diventò professore di fisica all'Università di Genova, e dal 1961 passò all'Università di Napoli. 

Edoardo Amaldi, Gilberto Bernardini e Ettore Pancini

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Oreste PiccioniSiena 1915

Formatosi alla scuola fiorentina di fisica dei raggi cosmici creata da Bruno Rossi, collaborò durante la guerra con Marcello Conversi e subito dopo con Ettore Pancini ad un'importante serie di esperimenti sui raggi cosmici che portarono alla scoperta della particella in seguito nota come muone, che segnò di fatto la nascita della "fisica delle alte energie". Dopo la guerra la sua carriera si svolse attraverso varie istituzioni di ricerca negli Stati Uniti, dando significativi contributi negli anni Cinquanta alla ricerca sulle anti-particelle. E’ stato prof. emerito di Fisica nell'University of California, San Diego (U.S.A.).

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La mia iniziazione al mesotrone avvenne nel 1940 nelle montagne italiane vicino al Cervino, quando io aiutavo Gilberto Bernardini, Bruno Ferretti ed

altri con medio entusiasmo eccetto che per lo sci. Fu soltanto quando vidi nel 1941 un articolo di Rasetti che il mio entusiasmo salì ad un alto

livello. Fortunatamente Conversi si unì a me ed insieme...".

Piccioni racconta…

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La preistoria del muone

• Come interagiscono i nucleoni nei nuclei?

• Nel 1934 Yukawa avanza un modello secondo il quale essi si scambiano delle particelle. Di queste prevede la massa che deve essere circa 200 volte quella dell’elettrone e per questo li chiama mesoni (massa intermedia tra elettrone e protone).

• Nel 1937, Anderson scopre una particella nei raggi cosmici. La nuova particella ha una massa 200 volte superiore a quella dell’elettrone. Si pensa che questa particella sia quella di Yukawa. Ma non è così.

• 1937 - Yukawa identifica il mesotrone dei raggi cosmici con il mesone mediatore delle forze nucleari.

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La preistoria del muone

• 1938 - Yukawa ipotizza che il mesone sia instabile e decada in un elettrone più un neutrino con vita media dell’ordine del microsecondo.

• 1940 - Tomonaga e Araki concludono che a causa della carica elettrica positiva del nucleo:"la competizione tra cattura nucleare e decadimento spontaneo deve essere differente per mesoni di segno opposto in quiete";

• per i mesoni positivi (respinti elettrostaticamente dal nucleo) la probabilità di cattura prima del decadimento è trascurabilmente piccola, per i mesoni negativi questa probabilità è sempre sensibilmente maggiore di quella di decadimento.

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La preistoria del muone

• 1942 - Rossi e Nereson realizzano un dispositivo con il quale ottengono

= 2.15 ± 0.07 microsecondi

questo risultato verrà conosciuto in Italia solo alla fine della guerra

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La scoperta del muone

• Nel 1946 un test cruciale fu fatto da Conversi, Pancini e Piccioni che stabiliscono che la nuova particella non è quella di Yukawa.

• E’ simile ad un elettrone, ma più pesante.

• Fu battezzata con il nome di muonemuone (µµ).

• Come un elettrone si presenta in due stati di carica: positiva e negativa.

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Esperimento CPP

• 1942 - Conversi e Piccioni realizzano un sistema di coincidenze veloci (per misurare con il metodo delle coincidenze ritardate)

• Nel giugno '43, dopo il bombardamento di S. Lorenzo (80 bombe cadono nella città universitaria),l'esperimento viene trasferito in un’aula del Liceo Virgilio (più vicino al Vaticano) e viene completato nei primi mesi del '44.

• La legge di decadimento risulta esponenziale con

= 2.3 ± 0.14 microsecondi

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Esperimento CPPMetodo delle coincidenze ritardate

Dall'alto, il primo ed il secondo gruppo di sei contatori rivela il muone in arrivo. Se il muone si ferma nell'assorbitore (5 cm Fe nella figura) ed emette nel seguito un elettrone, si ha una coincidenza ritardata. Il muone che attraversa i contatori in A in anticoincidenza non viene registrato. La sottile lastra di piombo impedisce agli elettroni in decadimento di raggiungere i contatori A. (da: M.Conversi, O.Piccioni, Sulla disintegrazione dei mesoni lenti, Nuovo Cimento 2, 71, 1944)

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Decadimento esponenziale

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Esperimento CPP

• Nel 1944 Conversi e Piccioni e poi Pancini, che si unisce a loro nel 1945, progettano e realizzano un nuovo apparato per eseguire un ulteriore test delle previsioni di Tomonaga e Araki, inserendovi "lenti magnetiche" che selezionano i mesotroni di un dato segno.

• La teoria di Tomonaga e Araky (i mesoni negativi vengono assorbiti nel nucleo prima di decadere) sembra essere confermata.

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Esperimento CPP

• I magneti vennero impiegati per separare i muoni positivi da quelli con carica elettrica negativa. Questi muoni a fine percorso finivano nel materiale assorbitore, Ferro, o successivamente Carbonio.

• I contatori di Geiger A, B rivelano l’arrivo dei muoni. Alcuni di essi, quelli che ci arrivano alla fine del loro percorso, si fermano nell’assorbitore.

• In esso i mesoni positivi, che non possono avvicinare il nucleo del Ferro, positivo, disintegrano.

• Il ritardo degli elettroni di disintegrazione viene misurato con i contatori C.

• I muoni negativi non disintegrano, come atteso, perché restano riassorbiti dal nucleo del Ferro.

Ma quando invece del Ferro si mise come assorbitore uno spessore di Carbonio si vide che i mesoni negativi non venivano catturati dal nucleo di Carbonio. Essi invece avrebbero dovuto essere catturati in esso, come figli diretti di una interazione nucleare, anche se il nucleo di Carbonio è molto più leggero del nucleo di Ferro.

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Esperimento CPP

• Il risultato di Conversi, Pancini e Piccioni falsifica la teoria di Tomonaga e Araki (basata sull’ipotesi che il mesotrone sia il mesone di Yukawa).

• L'esperimento C.P.P. indica pertanto che il mesotrone dei raggi cosmici è un oggetto completamente diverso dal mesone di Yukawa.

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La scoperta del pioneLa particella di Yukawa deve

aspettare fino al 1947 per essere osservata

(Powell, Occhialini) in sciami di raggi cosmici ad alta atmosfera.

Fu chiamata pione.

Il pione si presenta in tre stati di carica: positivo,negativo e neutro.

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E’ noto che la Terra è perennemente esposta ad una radiazione naturale proveniente dal cosmo, detta appunto radiazione cosmica.

Al di là dell'atmosfera i raggi cosmici sono costituiti principalmente da protoni; tuttavia anche elettroni, particelle , fotoni, neutrini ed in minima parte antimateria fanno parte dei raggi cosmici primari.

Giunte nell'atmosfera terrestre, tali particelle interagiscono con i nuclei delle molecole dell'atmosfera formando così un processo a cascata.

I raggi cosmici

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La radiazione secondaria al livello del mare è costituita da due componenti (molle e dura) che hanno diverso comportamento nell'attraversamento di mezzi molto densi (ferro, piombo, …).

La componente molle (circa il 30% della radiazione secondaria), composta da elettroni e fotoni ed in minima parte da protoni, kaoni e nuclei, è capace di attraversare solo pochi centimetri di assorbitore.

La componente dura (circa il 70%), composta da muoni, riesce a penetrare spessori maggiori di 1 metro.

Il flusso medio delle particelle che compongono la radiazione, vale a dire il numero di particelle che nell'unità di tempo, nell'unità di angolo solido e nell'unità di superficie raggiungono il livello del mare, è stimato

Flusso dei RC

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Il leptone è una particella elementare a spin 1/2, massa

(circa 200 masse elettroniche) e vita media

Esiste in due stati di carica

Il muone

MeVM )000034,0658389,105(

s )00004,019703,2(

negativa

positiva

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Il muone • Come tutti i leptoni interagisce

elettromagneticamente e debolmente.

• I muoni sono prodotti in alta atmosfera principalmente dal decadimento di pioni carichi

• Alla produzione essi sono caratterizzati da velocità relativistiche e per via del fenomeno di dilatazione temporale riescono a giungere al livello del mare, dove si osserva che i+

sono circa il 20% in più dei -.

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Interazioni

• Se si fanno incidere dei su un assorbitore sufficientemente spesso, essi, per effetto delle interazioni elettromagnetiche con gli elettroni del mezzo, subiscono un processo di frenamento

• Se l'assorbitore usato è denso (numero atomico Z>11) i - sono in prevalenza catturati dai nuclei atomici con emissione di neutrini:

• mentre i + decadono spontaneamente secondo la reazione

• Se il numero atomico del materiale è inferiore a 11 anche per il - il processo più probabile è il decadimento secondo la reazione

np

ee

ee

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Miscela gas : Argon 48% (gas da ionizzare)

Freon 48% (gas elettronegativo)

Isobutano 4% (quencher, la funzione di assorbire i fotoni che potrebbero generare valanghe secondarie lontano)

Glass spark counter

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Il nostro CPP

Pb 15 cm, 5 cm, 1 cm

Fe 2 cm

Pb 15 cm, 5 cm, 1 cm

Fe 2 cm

DISCRIMINATORDISCRIMINATOR

DELAYDELAY

t = 400 ns, 700 ns, 1300ns, 2000 ns

t = 400 ns, 700 ns, 1300ns, 2000 ns

c1c1

c2c2

c3c3

AnticoincidenceAnticoincidence

DISCRDISCR

DISCRDISCR

DISCRDISCR

SCALERSCALER

PbPb

FeFe

C123 AC123 A

c1c2c1c2

c12c3delayedc12c3delayed

42

delay

(s)

delay

(s)

Ni-fondo

(234 h)

NiFondo

(117 h)

0,414 0,184 34 5,8 9

0,674 0,113 28 5,3 4

1,294 0,110 24 4,9 3

2,000 0,100 16 4,0 1

Rate conteggi(400 ns) = 0,142 Hz

Rate fondo (400 ns) = 0,077 Hz

Rate conteggi(400 ns) = 0,142 Hz

Rate fondo (400 ns) = 0,077 Hz

43

= 2,27 ± 0,96 s= 2,27 ± 0,96 s

0

10

20

30

40

0 0,5 1 1,5 2 2,5

conteggi in 234 h

y = 40,064 * e^(-0,4406x) R= 0,97878

CO

UN

TS

TIME (s)

44

CPP vs noi

CPP= 2,33 ± 0,15sCPP= 2,33 ± 0,15s

rateCPP (0,97 s) = 1,05 counts/hrateCPP (0,97 s) = 1,05 counts/h

= 2,27 ± 0,96 s= 2,27 ± 0,96 s

rate (1,300 s) = 0,103 counts/h

rate (1,300 s) = 0,103 counts/h

SurfaceCPP ~ 600 cm2SurfaceCPP ~ 600 cm2 Surface ~ 200 cm2Surface ~ 200 cm2

AbsorberCPP = 5 cm FeAbsorberCPP = 5 cm Fe Absorber = 2 cm FeAbsorber = 2 cm Fe

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Ringrazio:

Marco Pistilli per il suo consistente contributo alla costruzione dei rivelatori

Giovanni Bencivenni per il sostanziale supporto nel montare l’esperimento