Rivelazione%20di%20particelle

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Rivelazione di particelle
7th International Masterclasses 2011
Uniniziativa EPOG European Particle-Physics
Outreach Group con la partecipazione della
sezione INFN di Bologna
Barcellona, Bologna, Dresda, Orsay, Rechovot,
Rostock
roberto spighi, Bologna 14 marzo 2011
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Indice
Limportanza dello studio delle
particelle Perchè usare acceleratori sempre più
potenti Rivelazione delle particelle Riconoscime
nto di eventi particolari
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conoscere ciò che ci circonda
Rutherford
Bohr
Tutta la materia che ci circonda è fatta di atomi
ATOMO ? 10-10 m (0.1 miliardesimo di metro)
elettrone
NUCLEO ? 10-14 m
Protoni e neutroni
Sono i costituenti ultimi?
Si può andare ancora nel più piccolo?
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studiare il mondo senza vederlo
Per vedere il mondo microscopico non possiamo
usare gli occhi
Ci dobbiamo servire di altri strumenti
bastone grosso
bacchetta sottile
Testa, occhi, naso ...
Corpo
riconosco parti con dimensioni sezione della
bacchetta
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Perchè gli acceleratori?
Per vedere le particelle devo avere bacchette
piccolissime
Particelle stesse
dualismo onda-corpuscolo le particelle si
comportano come onde e la loro dimensione è la
lunghezza donda associata
? 1/p p è la quantità di moto (proporzionale
allenergia)
Se voglio vedere oggetti piccoli
particelle con GRANDE ENERGIA
? PICCOLA
ACCELERATORI PIU POTENTI SONO ? PIU VEDONO IL
PICCOLO
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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
Campi magnetici per curvare
Campi elettrici per accelerare
N
S
E100 eV

-
Traiettorie circolari
100 V
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I primi acceleratori
Acceleratore circolare
Acceleratore lineare



-
-
-
Sorgente di particelle
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Acceleratori a bersaglio fisso e collider
Acceleratore
bersaglio
Bersaglio fisso
Collider
E mc2
Energia ? materia (particelle)
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LHC
CERN (GINEVRA) 27 KM CIRC.
CERN
Beam pipe
Bunch 1011 protoni
Bunch 1011 protoni
2010 3106 urti/s
E 7 TeV ( eurostar a 200 km/h)
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I 4 esperimenti di LHC
ATLAS
LHC-B
ALICE
CMS
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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
Cosa dobbiamo sapere di ogni particella?
Beam pipe e protoni
TUTTO !!
cinematica? tracciatori

• Posizione
• Direzione del moto
• Energia/impulso
• tempo di vita
• Tipo di particella

Identificazione
identificazione
impulso
evento
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Tracciatori e rivelatori di vertice
la 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
Mezzo (gas o anche solido)
Filo carico
Ricostruita la traiettoria della particella
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ATLAS Tracciatori e rivelatori di vertice
Camere a drift
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Misura dellimpulso (o quantità di moto)
Fatto dal tracciatore con il campo magnetico
rivelazione
Forza di lorentz tra una carica ed un campo
magnetico si esercita una forza
Raggio di curvatura
Impulso maggiore ()
Impulso minore ()
modulo dellimpulso mv e la carica q
N
S
Carica opposta -
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I magneti superconduttori di ATLAS
B 2 Tesla Raggio 1 m
solenoide
B 0.5 Tesla Raggi 9 e 20 m Lungh 25 m
Toroide frontale
toroide
Toroide dallalto
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Il riconoscimento delle particelle
rivelazione
Parte interna dedicata al tracciamento
Particella viaggia indisturbata
Parte esterna dedicata al riconoscimento (ed
anche al tracciamento)

• Calorimetri
• Elettromagnetico
• Adronico
• Rivelatori di muoni

Particelle distrutte ? collidono con
materiali densi
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Il calorimetro elettromagnetico
Calorimetri
riconoscere e ,?
strati di materiale denso alternati a strati di
rivelatore di ? ? effetto a catena (sciame em) ?
particelle perdono energia ? sciame si esaurisce
bremstrahlung
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Il calorimetro adronico
Riconoscere p, n e p (protoni, neutroni, pioni) e
misura energia
p, n, p ? urtano atomi del calorimetro ? creano
altre particelle
P, n , p
strati di Fe alternati a strati di rivelatore
calorimetri

• Inizia dopo
• Più aperto
• Meno simmetrico

Sciame adronico
Sciame elettromagnetico
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rivelatori di muoni
Rivela muoni e ne misura limpulso (con il
magnete toroide)
Rivelatore più esterno e più grande (22 m di
diametro)
botte a più strati con 2 tappi laterali
tappo
MDT Monitor drift tubes
Muoni sono poco interagenti ? se attraversano
materiali perdono poca energia ? unici ad
arrivare a questo rivelatore
ricostruiamo le particelle più importanti
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Ricostruzione delle particelle
Per vedere il programma interattivo sulla
ricostruzione delle particelle, collegarsi
allindirizzo
https//kjende.web.cern.ch/kjende/it/wpath_teilche
nid1.htm
Allinterno del sito delle Masterclass
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Riconoscimento delle principali particelle
Elettroni Positroni
Tutti
muoni
Calorimetro em
gamma
jets
pioni
neutrini
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Ricostruzione degli eventi
W ? µ ?
Riconoscere µ e ?
W- ? e- ?
Fondo Z0 ? e e- , µµ-
alcuni eventi simulati H ? WW-
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visione trasversa
evento
MuonSegment index 2 F 112.284 InDetTrack
index 1 PT41.519 GeV ? -0.870 F
114.868 Px-17.460 GeV Py37.669 GeV
Pz-40.846 GeV
atlas
µ e la carica ? ? click su traccia
Energia mancante 52 GeV opposta al µ ? ?
W ? µ ?
visione longitudinale
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evento
e- (carica al segno di pT)
Energia mancante opposta al e- ? ?
W- ? e- ?
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evento
jets
Energia mancante (piccola 12 GeV)
fondo
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evento
µµ-
Energia mancante (piccola 9 GeV)
Z0? µµ- fondo
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evento
Energia mancante ( 70 GeV)
e-
µ
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Conclusioni
questo è un bellesercizio 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 vi
accoglieremo a braccia aperte
Grazie a tutti, studenti e professori
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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 delluniverso
• magneti superconduttori -271 C 1.9 K
• nellurto la temperatura è 1000 miliardi gt T
  sole
• costi
• tot 6 miliardi (1 anno camerasenato 2
  miliardi )
• ITALIA 700 milioni ?ritorno di 1.5 volte
• 700 ricercatori italiani coinvolti

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I primi acceleratori
Raggi cosmici ? particelle provenienti dallo
spazio
Scoperte muoni (1936), pioni, kaoni (1947), ...
Stato finale
urto
aria
particella
primo acceleratore costruito dalluomo
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I primi rivelatori di particelle
Particelle cariche ionizzano un liquido vicino
allebollizione lasciando una scia di bollicine
lungo la traiettoria
CAMERE A BOLLE
Anni 50/70 ? fascio mandato dentro volume di gas
? foto
Camera a bolle
Bellissime perchè vedevi tutto, ma lente e non
triggerabili (? foto quasi tutte vuote)
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Le particelle instabili
Particelle che sono create e dopo un tempo
piccolissimo decadono in altre particelle
Es.
Z0 non la vedo, ma se riconosco µµ- e misuro
impulso
Riconosco Z0 e ricostruisco impulso