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Rivelatori di ParticelleRivelatori di Particelle
a.a. 2010-2011
Marisa Valdata
Da semplici idee Ad apparati complicati
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LezioneLezione 1.1.
ProgrammaProgramma
BibliografiaBibliografia
IntroduzioneIntroduzione
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PROGRAMMAPROGRAMMA• Introduzione• Cenni su acceleratori di particelle e fasci estratti• Interazione delle particelle con la materia
– Perdita di energia per ionizzazione– Scattering multiplo– Lunghezza di radiazione– Sciami elettromagnetici– Radiazione Cerenkov e di transizione
• Rivelatori di particelle– Rivelatori di posizione e tracciamento a gas e di silicio– Scintillatori organici ed inorganici,fotomoltiplicatori, fibre scintillanti– Calorimetria: calorimetri omogenei ed a sampling.– Identificazione di particelle: misure di dE/dx, tempi di volo, rivelatori
Cerenkov, rivelatori di radiazione di transizione.
Radiazioni ionizzanti: dosimetria, radioprotezione ed applicazioni mediche
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BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA
TESTI
• C. Grupen,Particle Detectors, Cambridge University Press, 1996• R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics,Cambridge
University Press, 1992• W.R.Leo, Tecniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,
Springer Verlang, 1994
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BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA …………
Altri utili testi:• Dan Green, The Physics of Particle Detectors, Cambridge
University Press,2000• Konrad Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, Cambridge
U.K.• Blum & Rolandi, Particle Detection with Drift Chambers, Springer
Verlang, 1994
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BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA …………
ARTICOLI DI RIVISTA:
• Experimental Tecniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editore),World Scientific, 1991
• Instrumentation in High Energy Physics, F.Sauli (Editore), World Scientific, 1992
ALTRI:
• Particle data Book (Phys. Rev. D)
• R. Bock, a. Vasilescu, Particle Data Briefbook http://www.cern.ch/Physics/ParticleDetector/Briefbook
• Proceedings di conferenze sugli apparati (Vienna VCI, Elba, IEEE)
• Introduction to radiation detectors and electronics (Helmut Spieler, Lecture Notes – Physics 198,Spring semester 1999- UC Berkeley)
http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes_1999/index.html
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Il piu’ vecchio rivelatore (di fotoni)…Il piu’ vecchio rivelatore (di fotoni)…
• Alta sensibilità ai fotoni
• Buona risoluzione spaziale
• Range dinamico molto largo (1:1014) + adattamento automatico della soglia
• Discriminazione in energia (lunghezza d’onda)
• Piuttosto lento (velocità di acquisizione +analisi ~10 Hz)
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Lastre fotograficheLastre fotografiche
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Tubo a raggi catodiciTubo a raggi catodici
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Tubo a raggi catodiciTubo a raggi catodici
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Progresso…..Progresso…..
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Un decadimento WUn decadimento W++WW-- in Aleph in Aleph
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Un evento simulato in ATLAS (CMS)Un evento simulato in ATLAS (CMS)HHZZ ZZ 44µµ
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IntroduzioneIntroduzione
La reazione e+e- → Zo →qq:
• Conosciamo le particelle interagenti (e+e-)
ACCELERATORI
• Per ricostruire la reazione e le proprietà delle particelle coinvolte la massima informazione sui prodotti finali (gli unici a noi accessibili)
APPARATI SPERIMENTALI
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IntroduzioneIntroduzione
Acceleratori:Acceleratori:
• Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni) Accelerano particelle stabili (elettroni, positroni, protoni, antiprotoni) PS, AGS, SPS ….
Anelli di Collisione (Colliders):Anelli di Collisione (Colliders):
• Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro Siamo nel c.m.: le particelle collidono fra loro LEP, LHC, Tevatron, LEP, LHC, Tevatron, PEPIIPEPII. .
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IntroduzioneIntroduzione
Apparati Sperimentali.Apparati Sperimentali.
Particelle incidenti:Particelle incidenti:• Elettroni,positroniElettroni,positroni• Protoni, antiprotoniProtoni, antiprotoni• Protoni protoniProtoni protoni• Elettroni, protoniElettroni, protoni
Prodotti finali:Prodotti finali:• Particelle caricheParticelle cariche• Particelle neutreParticelle neutre• FotoniFotoni• neutrinineutrini Esempio ColliderEsempio Collider
•Copertura di tutto l’angolo solido senza buchi e altamente segmentato•Misura dell’impulso e/o energia•Identificazione delle particelle finali•Rapido (senza tempo morto)Le particelle sono rivelate tramite le loro interazioni con la materia.Diversi processi fisici coinvolti (essenzialmente elettromagnetici)Osserviamo la ionizzazione ionizzazione e l’eccitazioneeccitazione della materia
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Definizioni ed unita’Definizioni ed unita’L’ L’ EnergiaEnergia è definita come: è definita come: EE22=p=p22cc22+m+moo
22cc44
• Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV)Energia E ; si misura in eV (e suoi multipli KeV, MeV, GeV, TeV)• Impulso p : si misura in eV/c (e suoi multipli)Impulso p : si misura in eV/c (e suoi multipli)
• Massa a riposo mMassa a riposo moo: si misura in eV/c: si misura in eV/c22
L’eV corrisponde all’energia ΔU guadagnata da un elettrone posto in una d.d.p. ΔV=1V
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Definizioni ed unita’Definizioni ed unita’
• MasseMasse– Elettrone (e) ~ 0.5 MeV– Muone () ~105 Mev– Pione () ~140 MeV– Protone e neutrone (p,n) ~938 MeV– Fotone e neutrino(,) ~0. MeV
• LunghezzeLunghezze– 1 μm (10-6 m) -risoluzione spaziale degli apparati– 1 nm (10-9 m) -lunghezza d’onda del verde (~500nm)– 1 Å (10-10 m) - dimensioni dell’atomo– 1 f (10-15 m) -dimensioni del nucleo
• TempiTempi– 1μs (10-6 s) deriva di 5 cm di un e in un gas (camere a a deriva– 1 ns (10-9 s) un fotone fa 30 cm in 1 ns (nel vuoto)– 1 ps (10-12 s) vita media di un mesone B
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Definizioni ed unita’Definizioni ed unita’
Spesso si usa:Spesso si usa:
In tali unità::
[E] = [p] = [m] = [t[E] = [p] = [m] = [t-1-1] = [x] = [x-1-1] = eV] = eV
Per passare dalle unità adimensionali a quelle dimensionali dobbiamo conoscere:• la velocita’ della luce c=3x10c=3x1088 m/s m/s e la costante di Plank h=6.62x10h=6.62x10-34-34 J s J s
(h/2(h/2)c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV )c ~ 0.2 GeV f ~ 2000 eV ÅÅ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Ricordando il principio d’indeterminazione x·x·(pc) = (h/2(pc) = (h/2) c ) c
• Per risolvere le dimensioni di un atomo (~Å 10-10m) servono energie ~KeV• Per vedere dentro un nucleo ( ~ f 10-15m) dobbiamo avere energie ≥ 200 MeV• Per distinguere i costituenti di un protone servono energie ~ GeV
1c
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Cinematica relativisticaCinematica relativistica
Formule base:
Valide anche nel caso non relativistico ~ 1+1/2 2 K=1/2 mv2 (per quanto riguarda l’energia
cinetica e la quantità di moto)
Energie (impulsi) sono classificati come segue: 11 non relativisticonon relativistico relativisticorelativistico 11 ultrarelativistico (in questo caso K~E)ultrarelativistico (in questo caso K~E)
2
42222
2
)1( cinetica energia
energia
)1
1( impulso
velocita'
mcK
cmcpmcE
mcp
c
v
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Cinematica relativisticaCinematica relativistica
L’energia e l’impulso di una particella formano un quadrivettore p = (E,p).
L’ energia E* e l’impulso p* di una particella massa m viste da un sistema di riferimento con velocità sono:
TT ppp
E
p
E
*
//*//
*
;
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Cinematica relativisticaCinematica relativistica
)cos(1(2)()( 212122
21
221
221 EEmmEEEs cm pp
In una collisione di 2 particelle di massa m1 ed m2 l’energia totale nel c.m. e’ espressa dall’invariante di Lorentz:
Dove è l’angolo formato fra le due particelle.
Nel sistema in cui m2 è ferma (sistema del laboratorio) avremo:
12221
21
2122
21
mEmEmmEs
cm
Le variabili del laboratorio rispetto al c.m. sono:
cm
labcm
lab
labcm E
mE
mEp
21
21
1
cm
labcm E
mpp 2
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Particelle ed InterazioniParticelle ed Interazioni
La fisica subnucleare studia i costituenti della materia ( partoni e leptoni) e cerca di capire le interazioni cui sono soggetti
Interazioni forti Interazioni forti (forza relativa a ~10(forza relativa a ~10-18-18 cm ~1 ) cm ~1 ) Interazioni e.m.Interazioni e.m. (( ““ ““ ~10 ~10-2-2)) Interazioni deboliInterazioni deboli (( ““ ““ ~10 ~10-5-5)) Interazioni gravitazionaliInterazioni gravitazionali (( ““ ““ ~10 ~10-39-39))
• La forza gravitazionale è irrilevante in quanto mp = 938 MeV = 1.67x10-27 kg. È comunque a lungo raggio.
• La forza debole (responsabile dei decadimenti radioattivi e delle interazioni di neutrini è poco utile per i rivelatori. È a corto raggio.
• La forza forte è quella che tiene assieme i protoni (e neutroni) nel nucleo. È utilizzata solo nei Calorimetri Adronici. Anche questa forza è a corto raggio.
• La forza e.m., non è altro che la forza coulombiana. È a lungo raggio e quindi, nel caso di particelle cariche domina a grandi distanze fino a ~ 1 f ( a piccole distanze domina la forza forte).
Quest’ ultima Quest’ ultima èè fondamentale per i rivelatori fondamentale per i rivelatori Interazione Radiazione Materia Interazione Radiazione Materia dominata da processi e.m.dominata da processi e.m.
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Le particelle possono essere classificate tramite le forze cui sono soggette.
• I leptoni ( leptoni ( ee ) ) nonnon sono soggetti alla forza forteforte. Non hanno struttura interna sono puntiformi.
• Gli adroniadroni sentono la forza forteforte e sono suddivisi in barioni barioni (spin semintero) e mesonimesoni (spin intero). Gli adroni hanno una struttura interna (quark).
• Ogni particella ha la sua antiparticella con la stessa massa e spin, ma carica ed altri numeri quantici interni opposti.
• Esistono anche i Bosoni di GaugeBosoni di Gauge (mediatori delle interazioni). Hanno spin intero.
– Interazione e.m. Interazione e.m. – Interazione forte Interazione forte gg
– Interazione deboleInterazione debole ZZ00,W,W±±
Particelle ed InterazioniParticelle ed Interazioni
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Particelle ed interazioniParticelle ed interazioni
La ricerca sperimentale studiaLa ricerca sperimentale studia:• Diffusione di particelle sezione d’urtosezione d’urto• Spettroscopia e decadimenti vita mediavita media• Produzione di particelle sezione d’urtosezione d’urto
Vita media: Vita media: Se la particella instabile si muove il percorso che farà prima di morire è:
Il numero di particelle che decadono in dx è proporzionale al numero di particelle N(x) che si hanno ad x
ed al percorso dx.
Distribuzione esponenziale con pendenzad (lunghezza di decadimento)
cmc
pcd
d
x
d
eNxNdx
xNxdN
0)()()(
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Particelle ed interazioniParticelle ed interazioni
Sezione d’urto La è usata per esprimere la probabilità di interazione fra particelle elementari.• Se giocamo al tiro al bersaglio, il parametro che ci interessa è la dimensione del bersaglio
(targhetta) ovvero l’area che il fascio di freccette vede.• Analogamente se spariamo un fascio di elettroni in un bidone di idrogeno (che non è altro che un
insieme di protoni) il parametro che ci interessa è la dimensione del protone, ovvero l’area che il protone mostra al fascio incidente.Però il protone non ha una sezione ben definita, ma più vicino ci andiamo maggiore è la probabilità d’interazione. Inoltre la sezione d’urto dipende dalla natura del proiettile oltre che dalla struttura del bergaglio. Gli elettroni sono diffusi più dei neutrini e meno dei protoni (interazioni diverse).
– Sezione d’urto elastica ( Sezione d’urto elastica ( Se l’energia è bassa avremo solo e+pe+p ) ) – Sezione d’urto anelastica ( Sezione d’urto anelastica ( Se l’energia è sufficiente possiamo avere e+pe+p+ o anche
e+pe+p+ etc ) ) Ipotesi semplicistica 1/v ( più a lungo sto vicino al protone più alta è la probabilità d’interazione), ma risonanze (stato quasi legato) e più grande.Dimensioni area. Unità di misura 1 barn (b) =10-24 cm2
Per impulso nel lab. di 10 GeV/c si ha: t ( t ( ++p ) ~ 25 mbp ) ~ 25 mb (forte)(forte) t ( t ( p ) ~ 100 p ) ~ 100 bb (e.m.)(e.m.) t ( t ( p ) ~ 0.1 pbp ) ~ 0.1 pb (debole)(debole)
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Sezioni d’urtoSezioni d’urto
Per avere la T si integra su tutto l’angolo solido.
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Sezione d’urtoSezione d’urto
• Esempio numerico: Esempio numerico: -- p p 00 n n
– 107 particelle incidenti a burst ( impulso dell’acceleratore)
– 1 burst ogni 10 s
– 8 giorni di presa dati
– Targhetta di Be ( =1.8 gr/cm3) l=10 cm
– Dati raccolti 7.49x1010
T=(Nrac/Nfascio)x(1/nA) (Nrac=7.49x1010 Nfascio=69120x107)
nA = lNA (Z/A) (numero di protoni nella targhetta)
T T = (7.49x10= (7.49x101010)/(69120x10)/(69120x1077x48.18x10x48.18x102323)~2.25x10)~2.25x10-26-26 cm cm22=22.5 mb=22.5 mb
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Sezione d’urtoSezione d’urto
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