P.%20Ciambrone,%20G.%20Corradi,%20E.%20Pace,

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INCONTRI Di FISICA
Rivelazione di Raggi Cosmici con Camere a
Fili

• P. Ciambrone, G. Corradi, E. Pace,
• C. Petrascu
• LNF INFN, 16-17 Settembre, 2002

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Contenuto
INCONTRI Di FISICA

• Idee generali alla base della rivelazione di
  particelle
• In passaggio delle particelle allinterno dei
  materiali principi generali
• I rivelatori a gas
• Tipi di rivelatori a gas e esperimenti che li
  usano
• Presentazione generale del progetto apparato
  sperimentale, lelettronica associata e
  lacquisizione dei dati sul computer
• Particelle da rivelare raggi cosmici
  generalita
• Progetto per le misure da effetuare nel
  laboratorio il 17 Settembre

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1) Idee generali alla base della rivelazione di
particelle
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Cosa sono i rivelatori di particelle I
I rivelatori di particelle sono strumenti
elettro-meccanici inventati per poter misurare i
deboli segnali prodotti dalle particelle
sub-atomiche.
grazie ai rivelatori di particelle e stato
possibile vedere le particele sub-atomiche e
determinare le loro caratteristiche.
ATLAS _at_ LHC
Esistono rivelatori diversi con caratteristiche
specifiche ottimizzate per effettuare le misure
necessarie nei moderni esperimenti di fisica si
usano insiemi complessi di piu rivelatori.
Combinando opportunamente i dati rivelati si e
in grado di determinare traiettorie, velocita,
masse, cariche elettriche.
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Cosa sono i rivelatori di particelle II
Il rivelatore ideale di particelle ha le seguenti
caratteristiche

• accettanza completa e fitta segmentazione
• ricostruisce le tracce ed identifica tutte le
  particelle
• effettua misure di impulso e/o di energia
• ha tempo morto nullo ? velocita di risposta
  elevata

Si utilizzano rivelatori magnetici per
determinare la cariche e limpulso delle
particelle
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2) In passaggio delle particelle allinterno dei
materiali principi generali
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Rivelazione di particelle principi generali
I processi che ci permettono di rivelare le
particelle sub-nucleari sono diversi
Le particelle cariche sono rivelate attraverso la
loro interazione elettromagnetica con gli
elettroni atomici dei mezzi attraversati
I fotoni vengono rivelati indirettamente
attraverso gli elettroni che essi producono per
effetto fotoelettrico, diffusione Compton o
produzione di coppie
I neutroni subiscono interazioni forti con i
nuclei dei materiali producendo particelle
secondarie cariche
Le particelle piu difficili da rivelare sono i
neutrini che possono avere solo interazioni
deboli con i nuclei o gli elettroni. In questi
processi si ha lemissione di leptoni
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La formula di Bethe-Bloch per la perdita denergia
Esprime la perdita di energia per ionizzazione
di una particella carica pesante (mgtgtme)
I lt dE lt Tmax I pot. di eccitazione medio I ?
I0 Z I0 10 eV
Per e e- la massa del bersaglio e del
proiettile sono uguali, ed inoltre si deve tener
conto del fenomeno Bremsstrahlung.
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Perdita di energia di elettroni e positroni
Lunghezza di radiazione
Per energie di elettroni/positroni gt 10 MeV entra
in gioco il fenomeno della Bremsstrahlung emission
e di fotoni dovuta alleffetto accelerante del
campo Coulombiano dei nuclei
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Rivelazione di fotoni
Per poter essere rivelato un fotone deve creare o
cedere energia ad una particella carica
Effetto fotoelettrico
g atomo ? ione e-
Vengono estratti principalmente elettroni delle
shell K
sfoto ? Z5
Diffusione Compton
e
g e ? g e
s compton
E un fenomeno di diffusione da parte di un
elettrone quasi libero
Produzione di coppie
g campo Coul. ? e e-
Eg gt mec2
Solo se
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Rivelazione di adroni
Gli adroni subiscono interazioni nucleari che
determinano eccitazione o rottura del nucleo.
La molteplicita ? ln(E)
In analogia con linterazione elettromagnetica si
definisce il coefficiente di assorbimento adronico
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Rivelazione di neutroni
Non avendo carica linterazione dei neutroni e
basata su interazioni forti e deboli

• Reazioni attraverso le quali e possibile
  rivelare i neutroni
• n 6Li ? a 3He
• n 10B ? a 7Li
• n 3He ? p 3H
• n p ? n p

???
En lt 20 MeV
En lt 1GeV
inoltre per neutroni termici (En 1/40 eV) si
possono avere fenomeni di fissione e per neutroni
En gt 1GeV fenomeni di cascata adronica
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Rivelazione di neutrini
Come per i neutroni anche i neutrini sono
rivelati con processi indiretti
l e, m, t
La sezione durto del processo n e n ? e- p e
circa 10-43 cm2
lefficienza di rivelazione
? 1 m di Ferro e ? 5 ? 10 -17
Per rivelare i n occorrono flussi elevati e
rivelatori estremamente massicci (ktons)
In esperimenti agli acceleratori, dove si
disponga di detector ermetici, le proprieta
dei neutrini possono essere dedotte
indirettamente una volta che si sono misurate
tutte le altre particelle presenti nellevento
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3) Rivelatori a gas
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Rivelatori a gas
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Rivelatori a gas I
Spesso gli elettroni prodotti hanno sufficiente
energia per effettuare ulteriori ionizzazioni
le particelle cariche attraversando un gas lo
ionizzano
Ionizzazione primaria
Ionizzazione totale ? 3, 4 volte ionizzazione
primaria
Una m.i.p perde circa 2 MeV in un cm di Ar ? 100
coppie e- /ione troppo poche per essere rivelate
? occorre amplificare il segnale
Si usano gas nobili perche avendo le shell
complete dissipano lenergia trasferita solo
attraverso la ionizzazione. Si aggiungono basse
percentuali di idrocarburi per evitare scariche.
e-
catodo Cu 7.7 eV
Ar
11.e eV
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Rivelatori a gas II
Regione Geiger. La scarica interessa tutta la
lunghezza del filo e viene interrotta
interrompendo HV
E detta anche regione di streamer limitato si
formano piu valanghe e si perde la
proporzionalita
Si ha moltiplicazione delle cariche
prodotte dalla ionizzazione primaria con
produzione di una valanga ampl ? DE
La carica e raccolta senza moltiplicazione
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4) Tipi di rivelatori a gas ed esperimenti che
gli usano
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Multiwire Proportional Chambers
G. Charpack et al. 1968. Premio Nobel 1992
Distribuzione delle linee di campo in una MWPC la
spaziatura fra gli anodi e di 2 mm
Le migliori risoluzioni spaziali ottenute sono
100 mm
Una delle low mass MWPC dellesperimanto FINUDA

• La coordinata z puo essere determinata in vari
  modi
• divisione di carica (fili resistivi 2KW/m)
• tempo di arrivo alle due estremita del filo
• piani incrociati di fili
• induzione su strisce catodiche segmentate

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Camere a deriva
La traccia della particella si ricostruisce
attraverso la misura del tempo di deriva
rispetto ad un riferimento esterno x ? vd(t)
dt
Con I suoi 52140 fili la camera a deriva di KLOE
e la piu grande finora costruita
Geometria degli straw tube dellesperimento FINUDA
Gli straw tubes sono camere a deriva cilindriche
moncanale. Per ottenere Informazioni sulle
diverse coordinate spaziali si possono usare
piani I ncrociati di tubi.
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Time Projection Chamber
E lunico rivelatore a gas che permette di
ricostruire le tracce in 3D. Si tratta di un
grosso volume di gas separato da un setto a
potenziale negativo. Le cariche create dalla
ionizzazione migrano verso i piatti terminali
che sono segmentati ed equipaggiati con MWPC
. Novitaprincipale campo elettrico e campo
magnetico paralleli ? si riduce enormemente il
fenomeno della diffusione.
gas con alta purezza (no impurita el.
neg.) controlli precisi di pressione e temperatura
Occorre cononscere con precisione la velocita di
deriva ?
Problemi di deriva degli ioni negativi
PEP- 4 TPC
Vg ? 150 V
Elettrodo negativo
Le coordinate x-y si ottengono dagli hit sui fili
e sul catodo segmentato delle MWPC poste sui
piatti, la z dal tempo di drift. Si fanno anche
misure di dE/dx
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Identificazione
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Ricostruzione dellevento
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5) Presentazione generale del progetto apparato
sperimentale, lelettronica associata e
lacquisizione dei dati sul computer
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6) Particelle da rivelareraggi cosmici
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I raggi cosmici sono stati scoperti da Victor
Hess, Universita di Vienna, (Nobel 1936) in
1912 in unesperimento con un elettroscopio
lanciato a 5 km di altezza in un pallone I
raggi cosmici primari sono delle particelle
cariche (soprattutto protoni) di alta ed
altissima energia.
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Allarrivo nell atmosfera terestre (che ci
protegge) interagiscono con le molecolle e gli
atomi dellatmosfera creando le cosiddette
cascate di particelle secondarie. Al livello
del suolo arrivano queste particelle secondarie
(soprattutto dei muoni) vedi figura che segue.
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Cascata prodotta da un raggio cosmico primario
allarrivo nellatmosfera terestre
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Lorigine dei raggi cosmici provengono dalla
nostra Galassia- il sistema solare (il
sole)- altre stelle- esplosioni di supernovae
(remnants) - altri sorgenti piu esotiche
stelle di neutroni bucchi neri..- lo spazio
interstellare (anomalous cosmic rays)
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Il loro studio e importante e ci sono tanti
esperimenti fatti apposta per studiarle, perche
offrono unopportunita unica per lo studio di
particelle in un range di energia non ancora
accessibile sulla Terra, nonche per capire
meglio la loro origine, quindi per studi di
Astrofisica e Cosmologia.Inoltre vengono usati
per la calibrazione di vari rivelatori.
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Quanti ci sono?Flusso dei raggi cosmici
(soprattutto muoni) al livello del suolo e 1
raggio cosmico/min/cm2(vuol per esempio dire che
mentre dormiamo siamo attraversati da un millione
di particelle cosmiche)Per quel che riguarda il
nostro studio ci interessa anche la distribuzione
angulareva come cos2q (angolo con la verticale)
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Per alcuni esperimenti che studiano eventi molto
rari i raggi cosmici sono fastidiosi. Serve
eliminarli- attraverso il trigger- facendo
degli esperimenti sotto-suolo Gran Sasso, vedi
figura.
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Underground Laboratories Gran Sasso
Evento raro
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7) Progetto per le misure da effetuare nel
laboratorio il 17 Settembre
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Misure da effettuare nel Laboratorionoi vi
proponiamo

• Visualizazione dei segnali di uscita con
  loscilloscopio e calcolo dellampiezza del
  segnale
• Lo studio della variazione del segnale con la
  tensione di alimentazione e la miscella di gas
• Calcolo del flusso di particelle rivelate in
  coincidenza dalle tre camerette e comparazione
  col flusso di raggi cosmici notto (lefficienza
  delle camerette)
• La distribuzione angolare dei raggi cosmici
• Lo studio dello schermaggio dei raggi cosmici con
  lastre di piombo

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Misure da effettuare nel Laboratoriose ce tempo

• Misura delle particelle provenienti da una
  sorgente la dipendenza delle distanza fra la
  sorgente e il rivelatore
• Le vostre proposte.

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Bibliografia
? Libri di Testo

• W. Blum, L. Rolandi, Particle detection with
  drift chambers,
• Springer Verlag, 1993
• . K. Kleinknecht, Detectors for particle
  radiation,
• 2nd edition, Cambridge University press 1998
• W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle
  Physics Experiments,
• 2nd edition, Springer 1994

? Articoli di rassegna

• Experimental techniques in high energy physics,
• T. Ferbel (editor), World Scientific 1991
• Instrumentation in High Energy Physics,
• F. Sauli (editor), World Scientific 1992

• Altre fonti

• Review of Particle Physics,
• (Eur. Phys. Jou. C, Vol. 15 N.1- 4, 2000)
• http//training.web.cern.ch/Training/ACAD/Transpa
  rencies/Joram300398/pd1/index.html
• The Particle Detector Briefbook,
• http//rkb.home.cern.ch/rkb/titleD.html
• TERA foundation home page
• http//www.tera.it/index_it.html