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Rivelazione di particelle
roberto spighi, Bologna 13 marzo 2014
10th International Masterclasses 2014
Un’iniziativa EPOG European Particle-Physics Outreach Group con la partecipazione della sezione INFN di Bologna
Bologna, Roma, Atene, Palaiseau, Santander
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L’importanza dello studio delle particelle
Perchè usare acceleratori sempre più potenti
Rivelazione delle particelle
Riconoscimento di eventi particolari
Indice
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ATOMO 10-10 m(0.1 miliardesimo di metro)
elettrone
Protoni e neutroni
BohrRutherford
conoscere ciò che ci circonda
Tutta la materia che ci circonda è fatta di atomi
Sono i costituenti ultimi?
NUCLEO 10-14 m
Si può andare ancora nel più piccolo?
4
Per vedere il mondo microscopico non possiamo usare gli occhi Ci dobbiamo servire di altri
strumentibacchetta sottile
bastone grosso
riconosco parti con dimensioni ~ sezione della bacchetta
Testa, occhi, naso ...
Corpo
studiare il mondo senza vederlo
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Perchè gli acceleratori? -1Per vedere le particelle devo avere “bacchette”
piccolissime
Particelle stesse
λ~ 1/p p è la quantità di moto (proporzionale all’energia)
dualismo onda-corpuscolo: le particelle si comportano come onde e la loro dimensione è la lunghezza d’onda associata
λ PICCOLA
ACCELERATORI PIU’ POTENTI SONO PIU’ VEDONO IL
PICCOLO
particelle con GRANDE ENERGIA
Se voglio vedere oggetti piccoli
λ
6
Perchè gli acceleratori? 2
E = Mc2 MASSAENERGIA
+ ACCELERATORE POTENTE + PRODUCE PARTICELLE ALTA ENERGIA PRODUCONO ALTRE PARTICELLE STUDIO INFINITAMENTE PICCOLO
PIONI
KAONI MUONI
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N
+-100 V
E=100 eV
Campi elettrici per accelerare Campi magnetici per curvare
Acceleratori: come funzionano
particelle prodotte riscaldando filamenti (elettroni) o per ionizzazione (es H senza e- = protone) o con urti (antiparticelle)
particelle corrono dentro dei tubi
S
Traiettorie circolari
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I primi acceleratori
Sorgente di particelle
+ ++
- --
Acceleratore lineare Acceleratore circolare
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Acceleratori: a bersaglio fisso e collider
Bersaglio fisso
Collider
Acceleratore
E = mc2
Energia materia (particelle)
bersaglio
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LHCCERN (GINEVRA) 27 KM CIRC.
Bunch 1011 protoni
2012: >10•106 urti/sE = 8 TeV (> eurostar a 200
km/h)
CERN
Bunch 1011 protoni
Beam pipe
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I 4 esperimenti di LHC
ATLAS
CMSALICE
LHC-B
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UN URTO AD LHC
Centinaio di particelle prodotte: ricostruirle e riconoscerle apparati molto grandi separo le varie particelle
struttura a “cipolla” in ogni strato lasciano un segnale
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rivelatori di particelle
Posizione Direzione del moto Energia/impulso tempo di vita
Tipo di particella
Cosa dobbiamo sapere di ogni particella?
Identificazione
cinematica tracciatori
TUTTO !! Beam pipe e protoni
impulso identificazione evento
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Tracciatori e rivelatori di verticela rivelazione delle particelle si basa sugli effetti
prodotti dal loro passaggio nella materia
Particelle cariche: se attraversano un mezzo incontrano atomi forza di Coulomb
Ionizzano
Segnale elettrico
Filo carico +
+
+
+
+
+
+Mezzo (gas o anche solido)
+
+
+
+
+
+
Ricostruita la traiettoria della particella
+
-
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CMS: Tracciatori e rivelatori di vertice
Silicon Tracker: 13 strati 76 M canali
Pixel: 100x150 μm
Precisione sul vertice ~ 15 μm
Strip: 80 x 180 μm 25 cm x 180 μm
Precisione su impulso = 1.5%
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Misura dell’impulso (o quantità di moto)Fatto dal tracciatore con il campo
magneticoF qv B r rr Forza di lorentz: tra una carica ed
un campo magnetico si esercita una forzamvrqB
Raggio di curvatura
modulo dell’impulso mv e la carica q
N
Impulso maggiore (+)Impulso
minore (+)
Carica opposta -
S
rivelazione
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Magnete superconduttore di CMS
solenoide
B = 4 Tesla100 K > terraLungo 13 mDiametro 6 mPeso ~ 12 TT = -269 °C
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Il riconoscimento delle particelle
Parte interna dedicata al tracciamento
Parte esterna dedicata al riconoscimento (ed anche al tracciamento)
Calorimetri
Elettromagnetico
Adronico
Rivelatori di muoni
Particella viaggia ~ indisturbata
Particelle ~ “distrutte” collidono con materiali densi
identificazione
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Il calorimetro elettromagnetico
Piombo
strati di materiale denso alternati a strati di rivelatore di γ effetto a catena (sciame em) particelle perdono energia sciame si esaurisce
...e±, γ
Pb
scintillatore
Raccolta la luce ≈ energia particella iniziale
bremstrahlung
Calorimetri riconoscere e± ,γ
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p, n, π urtano atomi
del calorimetro creano
altre particelle
Il calorimetro adronicoRiconoscere p, n e π (protoni, neutroni, pioni) e misura energia
P, n , π
strati di Fe alternati a strati di rivelatore
Sciame adronico
Sciame elettromagnetico
...
Inizia dopo
Più aperto
Meno simmetrico
calorimetri
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rivelatori di muoniRivela muoni e ne misura l’impulso
Muoni sono “poco interagenti” se attraversano materiali perdono poca energia ~unici ad arrivare a questo rivelatore
Rivelatore più esterno e più grande
22
Identificazione delle particelle
rivelazione
23
Riconoscimento delle principali particelle
ElettroniPositroni
muoni
gamma
Adroni neutri (neutroni)
Adroni carichi (protoni)
neutrini
Tracciatore
Calo em
Tutti
Tracciatore
Calo adr
Calo em
Calo Adr
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Ricostruzione degli eventi, Z0Z0 particella instabile decade, non si misura
direttamente
Z0
μ+ (e+)
μ-(e-)Tempo (s)0 3x10-25
Spazio (m)
0 10-18
Z0 ricostruita da e/μ o con conservazione
Energia/Impulso 0
2 2
2 2Z
E E p pM
c c c c
MASSA
91.188 ± 0.002 GeV
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CMS: Evento con Z0: visione in prospettiva
Tracciatore
Rivelatore di muoni
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CMS: Evento con Z0: visione trasversa
tracciatore
calorimetri
Rivelatore di muoni
2 tracce cariche che arrivano al rivelatore di muoni
2 MUONI di carica opposta
carica + senso orarioZ0 μ+μ-
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Ricostruzione degli eventi, WW particella instabile: creata, vive e
decade
W+
μ+ (e+)
νμ(νe)
W+ μ+ νμ
W- μ- νμ
W+ e+ νe
W- e- ν
Riconoscere μ e ν
ν invisibile: si ricostruisce come energia mancante
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CMS: Evento con W: visione in prospettiva
Tracciatore
Rivelatore di muoni
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CMS: Evento con W: visione trasversatracciatore
calorimetri
Rivelatore di muoni
molta energia mancante (freccia gialla
lunga)
NEUTRINO
Traccia carica che si ferma nel cal
em
ELETTRONE Weν
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Ricostruzione degli eventi, Higgs
μ+ μ-
e+e-Z0
Z0H
H
γ γγ
γ
HZ0Z0 μ+ μ- e+e- , μ+ μ- μ+ μ- , e+e- e+e-
H
γγ
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CMS: Evento con H: visione in prospettiva
Calorimetro
Rivelatore di muoni
HZ0Z0 μ+ μ- e+e-
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CMS: Evento con H: visione trasversa
2 fotoni
(segnale nel cal em)
HZ0Z0 μ+ μ- e+e- H
γγ
2 elettroni
2 muoni
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questo è un bell’esercizio basato su dati veri
è la fisica di maggior interesse oggi
la tecnologia associata è al massimo livello di sviluppo
se deciderete di fare fisica noi
Conclusioni
Grazie a tutti, studenti e professori
Vi accoglieremo a braccia aperte
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Backup slides
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I numeri di LHC
Macchina più grande al mondo
27 km quasi tutti in Francia
protone fa 11000 giri/s
posto più freddo e più caldo dell’universo
magneti superconduttori -271 C = 1.9 K
nell’urto la “temperatura” è 1000 miliardi > T
sole
costi
tot 6 miliardi € (1 anno camera+senato ~ 2
miliardi €)
ITALIA ~700 milioni € ritorno di ~1.5 volte
700 ricercatori italiani coinvolti
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I primi acceleratori
Scoperte: muoni (1936), pioni, kaoni (1947), ...
particella
aria
urto
Stato finale
Raggi cosmici particelle provenienti dallo spazio
primo acceleratore costruito dall’uomo
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I primi rivelatori di particelle
CAMERE A BOLLE
Anni 50/70 fascio mandato dentro volume di gas foto
Camera a bolle
Particelle cariche ionizzano un liquido vicino all’ebollizione lasciando una scia di “bollicine” lungo la traiettoria
Bellissime perchè vedevi tutto, ma lente e non triggerabili ( foto quasi tutte vuote)
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