Physics MasterClasses 2013 RIVELATORI DI PARTICELLE

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‘Vediamo’ le particelle studiando gli effettiche producono attraversando la materia.

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Esperimento ATLAS

• I Rivelatori:

• Analisi dei dati

• Esempi di rivelatori (non per LHC ! )

INDICE

• Cosa misuriamo

• Tracciatori

• Calorimetri

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Un Esempio di Rivelatore : Camera a Bolle(1950)

Il principio di funzionamento si basa sui processi di ionizzazione:Una particella carica che attraversa la materia cede energia ad atomo, un elettrone viene espulso e si crea una coppia elettrone libero-ione positivo

La camera contiene un liquido al punto di ebollizione.In corrispondenza degli ioni creati dal passaggio delle particelle cariche si formano delle bolle, che evidenzianola traccia.

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La Conservazione dell’ Impulso

Impulso stato iniziale=Impulso stato finale

•M1V1 = M2V2 + M3V3

•M1V1 = M2V2 cosθ + M3V3 cos α (asse X)

•0 = M2V2 sinθ - M3V3 sin α (asse Y)

Un alto valore di Impulso/Energia mancanti e’ il primocriterio per selezionare gli eventi : W e/μ + ν

L’ impulso mancante e’ associato al neutrino.

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W τ = 3 10-25 s S = c τ = 9 10-17 m μ (muone) τ = 2.2 10-6 s S = c τ = 660 m e (elettrone) stabile ν (neutrino) stabile - non lascia traccie – rivelazione indiretta.

La maggior parte delle particelle prodotte ad LHC sono instabili.Se non vivono abbastanza per raggiungere i rivelatori vengonoindividuate dai loro decadimenti.

Velocità della luce: c = 3 108 m/sVita media (τ) = tempo medio che trascorre prima che del decadimento.

Cosa misurare per ogni particella ad LHC? (1)

W μ/e + ν

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Cosa misurare per ogni particella ad LHC?(2)

•Posizione •Direzione del moto•Carica•Energia/impulso

Identificate le particelle e le loro caratteristiche ricostruiamol’ evento complessivo.

W μ + ν

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I Rivelatori in ATLAS

•CALORIMETRI

•TRACCIATORI

In ATLAS abbiamo 2 tipi di rivelatori:

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46m

22m

Peso 7000 tonSuperficie rivelatori 6000 m2

• I rivelatori sono posti uno dentro l’altro intorno al punto dove si scontrano le particelle.• I rivelatori sono posti uno dentro l’altro intorno al punto dove si scontrano le particelle.

ATLAS (1)

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Inner Detector (Tracciatore) Ricostruzione tracce – Misura l’ impulso e carica

Calorimetro Elettromagnetico Misura Energia

Camere mu (Tracciatore) Ricostruzione tracce - Misura l’impulso e carica

Calorimetro Adronico Misura Energia

ATLAS (2)

A partire dallo strato piu’ interno troviamo in successione:

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...particella

assorbitore

rivelatore

carica ≈ energia particella iniziale

Calorimetri – Misura dell’ ENERGIA

Misura distruttiva : la particella rilascia tutta la sua energia

• Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di e- , e+ , γ)• Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K) • Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di e- , e+ , γ)• Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K)

Strati di materiale denso (assorbitore) alternati a strati di rivelatore.Strati di materiale denso (assorbitore) alternati a strati di rivelatore.

Nell’ assorbitore si sviluppa lo sciame le particelle perdono energia fin quando sono totalmente assorbite. Misura DISTRUTTIVA

Nell’ assorbitore si sviluppa lo sciame le particelle perdono energia fin quando sono totalmente assorbite. Misura DISTRUTTIVA

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Lo sciame elettromagnetico

L’ insieme di questi processi da luogo alla formazione dello sciame.

Ad energia di qualche MeV il processo siinterrompe. Subentrano altre interazioniche portano al rapido assorbimento dellaparticella nel calorimetro.

Un γ di alta energia interagisce nel mezzo e produce una coppia e+ e- ad energia inferiore.

Gli elettroni e positroni perdono energia emettendo γ (bremsstrahlung)

μ ed adroni perdono solo una frazione di energia nei calorimetri em

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I Calorimetri elettromagnetici di ATLAS

Lo sciame si sviluppa nel piombo.

Il segnale, in corrente, e’ dato dagli elettroni prodotti per ionizzazione nell’Ar dalle particelle dello sciame.

In ATLAS 3 calorimetri elettromagnetici

1 nella zona centrale (barrel)2 nelle le regioni in avanti misurano l’ energia di γ ed elettroni prodotti ad un angolo tra 28.3° e 4.7° rispetto ai fasci

Costituiti da strutture in Pb immerso in Ar liquido a 90 K

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I Calorimetri adronici di ATLAS

Misurano l’ energia di protoni, neutroni, pioni.I μ perdono solo una frazione di energia nei calorimetri adronici.

•Strati di ferro alternati a rivelatori nel barrel.

•Rame come assorbitore ed Ar come rivelatore per i calorimetri in avanti

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Tracciatori (1)

Il principio di funzionamento dei tracciatori si basa sullaionizzazione che e’ prodotta dalle particelle cariche che li attraversano.Gli elettroni sono raccolti e producono un segnale elettrico.La perdita di energia della particella e’ trascurabile.

Un tracciatore e’ costituito da tanti ‘elementi’ che si ‘accendono’ al passaggio di una particella carica.

• Ricostruzione del percorso della particella carica• Identificazione del punto di produzione (vertice)

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Tracciatori (2)

Se un tracciatore e’ posto in un campo magnetico ( B ) si determinal’ impulso (mv) dalla traccia e la sua carica

F = q v x B perpendicolare a v e B

mvr

qBIl raggio e ≈ all’ impulso

Possiamo conoscere il segno della carica

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Due sistemi di tracciatori in ATLAS:•Inner Detector• Spettrometro per muoniEntrambi in campo Magnetico

I Tracciatori di ATLAS

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Inner Detector

3 diverse tecnologie:Pixels e il SiliCon Tracker individuano il punto di passaggio della traccia.Transition Radiation Tracker da’ anche informazioni sul tipo di particella.

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Spettrometro per muoni (1)

E’ il rivelatore piu’ esterno. Misura l’ energia dei μ dalla curvatura delle tracce.

E’ costituito da strati di camere (MDT) che contegno tubi di Al riempiti di gas. Il muone ionizza il gas, gli elettroni prodotti sono raccolti sul filo conduttore posizionato al centro del tubo.

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Spettrometro per muoni (2)

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Ricostruisce il percorso delle particelle cariche

Ricostruzione percorsoed impulso dei μ

Misuraenergia per adroni

Misura Energia di e-γ

Inner detector (tracciatore)

Calorimetro elettromagnetico

Camere mu (tracciatore)

Calorimetro adronico

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Animazione

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Rivelazione dei neutrini (1)

y

x

z

z

x

y

I due protoni si muovono lungo l’ asse Z. nel piano XY l’ impulso di ogni protone e L’ impulso totale sono nulli.

In urto l’impulso totale e’ lo stesso prima e dopo la collisione.Nel piano trasverso (XY) le particelle avranno lo stesso impulso (linea rossa) e si muoveranno nella stessa direzione ed in verso opposto.

x

z

y

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ricostruit

o

ricostruit

o

rico

stru

ito

Mis

sing

P

t

x x

y y

Rivelazione dei neutrini (2)

Evento 1 Evento 2

Nell’ evento 2 l’ impulso trasverso mancante (MPT), come l’ energia trasversa mancante (MET), possono essere dovuti alla produzione di neutrini.

Nell’ analisi dei dati un alto valore di MET e’ uno dei criteri di selezione per individuare eventi prodotti dal decadimento di W ( W e/μ + ν )

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Selezione degli eventi

Z0 μ+ + μ-

H W+ + W-

W+ μ+ + v

W- e- + v

W+ e+ + va

I dati di segnale sono estratti dal campione di eventi noti gli stati finali e le distribuzioni cinematiche ( impulsi,angoli fra le particelle, etc.)

Eventi di segnale

Eventi di fondo per W

Z0 e+ + e-a

(uno dei leptoni sfugge ai rivelatori)

W- μ- + v

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Evento di fondo

1 solo leptone conPt > 15 GeV

no

no

no

no

no

no

no

si

si

si

si

si si

si

... con Pt > 20 GeV

Leptone isolato dai Jets che vengono dallo stesso vertice

Determinare la carica del leptone

Determinare il tipo di leptone

elettrone (e- ) /positrone (e+ )

muone (μ- ) /antimuone (μ+)

Registra: il numero dell’ evento ed il risultato (W+ e tipo di leptone / W- e tipo di leptone / fondo / WW e l’ angolo tra i leptoni ). Vai a “Next Event”

Solo 2 leptoni + di carica opposta + isolati dai Jets + Pt (l1) > 25 GeV Pt (l2) > 15 GeV

Entrambi i leptoni della stessa famiglia

Misura l’ angolo tra i leptoni nel piano trasverso